海洋环境参数监测传感器的稳定性评价研究

王爱军赵卓英张川程绍华

(国家海洋标准计量中心 天津 300112)

0 引言

随着海洋强国、质量强国和海洋生态文明的建设,海洋观测预报、防灾减灾、生态修复和生态文明建设等活动更加重视海洋环境参数监测数据的准确和可靠[1-3]。利用各种性能优异的传感器是获取实时和连续海水环境参数的最直接和最有效的方法[3-6],可提供各种海洋环境参数的时空分布和变化规律,因此传感器是海洋调查仪器的基础,其各方面性能是评价仪器质量的关键,同时是调查数据质量的保障[3]。

海洋传感器的使用环境复杂多变,会受到风、流、浪、盐雾和生物附着等各类环境因素的影响[1,3],再加上海洋数据种类多和采集成本较高,因此为获得高质量的海洋环境监测数据,须经常校准和评价传感器的性能[7]。计量校准是利用标准仪器对被校仪器进行测量,通过比较标准值和测量值而实现。未经标定的船载CTD盐度数据质量远远落后于《海洋调查规范》对盐度准确度为±0.02‰的测量要求[8],凸显将船载CTD送至计量机构校准的必要性。同时,海洋计量在保障数据准确性和推动国内海洋仪器产业化进程中发挥的作用日益清晰,自研仪器的准确性已成为国家重点研发计划项目关注的考核指标。

海洋仪器用户通常在出海前、出海后或定期将海洋环境参数监测的传感器送至海洋计量检测机构进行校准,海洋计量检测机构将新的校准证书和系数提供给用户,用户将新的系数置入仪器的配置软件,从而确保下一次各传感器的测量数据准确和可靠。在长期的海洋观测中,传感器的稳定性、漂移性和准确性是最重要的部分[3]。海洋计量检测机构利用多年的校准数据评价海洋传感器的稳定性、漂移性和准确性,不断拓展海洋仪器计量服务,助力海洋仪器质量提升。

本研究以海洋环境参数监测常用的温度、电导率、浊度和叶绿素4个传感器为评价对象,利用同一台仪器多年的校准数据建立海洋仪器计量评价模型,系统评价传感器的长期稳定性,提供漂移系数方便用户修正校准周期内的数据,提升海洋环境参数监测数据的准确性。

1 评价对象和计算方法

1.1 评价对象

海洋环境监测所用仪器多集成各类传感器,搭载在海洋调查船、海洋浮标、海洋站和其他监测平台上,直接置于海水中进行实时和连续测量,其工作原理是水下仪器测量单元通过线缆将数据上传到岸上数据接收单元,通过传感器电信号值与传感器示值之间的公式转化为海洋要素的测量数据。通常情况下,海洋环境监测所用的传感器校准是将传感器电信号值和标准值相联系的重要步骤[7],给出新的拟合系数有助于判定仪器性能。

本研究以常见的小型多参数水质仪搭载的温度、电导率、浊度和叶绿素传感器为评价对象,技术指标如表1所示。

表1 各传感器的技术指标

温度传感器和电导率传感器按照《温盐深测量仪》(JJG 763-2019)[9]进行校准;浊度传感器按照《海水浊度测量仪校准规范》(JJF 1571-2016)[10]进行校准;叶绿素传感器选用水溶性的荧光素钠溶液为参考标准溶液[11-12],通过配制系列标准溶液实现传感器荧光性能的检测。

1.2 传感器的漂移系数和漂移率

利用最近一次校准的传感器电信号值与标准值进行线性回归,得出新的拟合公式;将往年的传感器电信号值代入该拟合公式,计算每年校准的传感器示值和误差;根据每年校准的传感器示值和对应标准值计算每年传感器的漂移系数。传感器的漂移系数(slope)的计算公式为:

式中:Y i示和Y i标分别表示传感器在第i个校准点的示值和标准值;n表示校准点个数。

对于数据漂移严重的传感器,计算每年传感器的漂移率(δ),计算公式为:

式中:slopepost和slopepre分别表示最近一次和上一次校准的传感器漂移系数;Δt表示2次校准的时间间隔。

1.3 传感器的稳定性

传感器的稳定性是指传感器在一定时间内输出信号的复现性程度[13],该指标是与时间有关的真正影响因素。受海水不断运动变化的影响,由于测量时间不同,同一测量点上各传感器测量的海洋环境参数监测数据不尽相同,无法考察仪器的长期稳定性。传感器校准是在同一实验室和同一环境条件下,由同一批实验人员采用同一种方法和同一种计量标准器,在不同时间进行的重复性实验,其校准数据具有可比性。因此,本研究利用3～5年的校准数据评价传感器的长期稳定性。

2 结果与讨论

2.1 传感器的漂移系数和漂移率

选用最近一次即2021年校准的各传感器电信号值和标准值进行拟合(图1)。其中,温度和电导率传感器的拟合公式为多项式,相关系数的R2值为1;浊度和叶绿素传感器的拟合公式为线性,相关系数的R2值均大于0.999。

图1 各传感器最近一次(2021年)校准的拟合曲线

利用各拟合公式以及2016—2020年(2018年未送检)各传感器的历年电信号值与对应标准值,计算新的各传感器测量值。利用计算后的各传感器测量值与标准值,按式(1)计算各传感器的历年漂移系数(图2)。

由图2可以看出:①温度传感器的漂移系数前2年略大于1,后3年维持在1附近;②电导率和叶绿素传感器的漂移系数基本低于1;③浊度传感器的漂移系数基本大于1。由于每次校准的标准值基本无变化,则漂移系数与仪器测量值呈负相关关系,即传感器的测量值与标准值接近时,漂移系数在1附近;当传感器的测量值低于标准值时,漂移系数大于1;当传感器的测量值高于标准值时,漂移系数小于1。因此,从每年的漂移系数可以得出传感器测量值的漂移情况,若漂移系数越小或越大,传感器测量值远离标准值,表明传感器性能越不稳定;若漂移系数维持在1附近,表明传感器性能越稳定。

图2 拟合后的传感器测量误差及其漂移系数

利用漂移系数,按式(2)计算各传感器的年漂移率(表2)。

表2 各传感器的年漂移率%

由表2可以看出,温度、电导率、浊度和叶绿素传感器的最大年漂移率分别为0.06%、0.59%、-1.18%和19.20%,表明温度传感器的数据漂移较小,电导率传感器次之,而浊度和叶绿素传感器的数据漂移较大。

数据漂移是指由于仪器计量特性的变化引起的示值在一段时间内的连续或增量变化,通常以重复测量示值的平均值衡量数据漂移。分析数据漂移的原因在于海上环境复杂,各传感器长期在水下运行,生物污染和电子元器件随时间变化[14]等因素会导致传感器产生漂移。此外,光学传感器的检测窗口易被擦伤或被生物附着,导致划痕较多,在一定程度上影响数据质量;如果在光学传感器上增加1个清洁刷,定期清扫传感器检测窗口,就能够保护传感器检测窗口,在一定程度上保障光学传感器的数据可靠。

对于传感器数据存在漂移的情况,将每年的传感器漂移系数(图2中的slope值)与对应年份的传感器测量值相乘,可实现传感器数据修正。①温度传感器修正前的历年误差大部分为负值,误差范围为-0.15℃～0.05℃,修正后的误差为±0.04℃,2019—2021年的误差为±0.01℃。②电导率传感器修正前的历年误差均为正值,误差范围为0.03～2.00 mS/cm,修正后的误差为±0.15 mS/cm,2019—2021年的误差为±0.01 mS/cm。③浊度传感器修正前的历年误差大部分为负值,误差范围为-3.00～0.50 NTU,修正后的误差为±0.60 NTU。④叶绿素传感器修正前的历年误差均为正值,误差范围为0～100μg/L,修正后的误差为±2.2μg/L。由此可见,修正前传感器的测量误差重复性较差且呈单向增量变化,通过漂移系数对传感器数据进行修正后,传感器的测量误差有所降低,均在传感器测量准确度内,且呈正态分布。因此,利用传感器历年校准数据计算的漂移系数为生产厂商和用户提供校准周期内的数据修正方法,可在一定程度上提升传感器的性能,确保测量数据的准确和可靠。

2.2 传感器的稳定性

在计量学上,测量仪器的稳定性是指测量仪器的计量特性随时间恒定不变的能力,通常需要通过多个周期的测试才能确定。海洋计量检测机构利用同一传感器连续多年的校准数据来分析海洋传感器的稳定性。

同一传感器每年定期送至海洋计量检测机构校准,在相同的计量标准装置、相同的校准方法、相同的操作程序、相同的操作条件和相同的地点对同一被测仪器进行重复性测量,传感器的测量值具有一定的可比性。因此,按照同一回归公式,将各传感器历年电信号值转化为传感器测量值,再比较传感器测量值与对应标准值的差即传感器测量误差的重复性,即可评价传感器的稳定性。

由图2可以看出,温度传感器2016—2017年的测量误差为-0.30℃～0.20℃,波动较大,2019—2020年的测量误差在0附近,表明传感器测量误差的重复性较好,由于每年的标准值基本不变,即传感器的测量值重复性较好;电导率和叶绿素传感器历年测量误差整体正向漂移,表明传感器的测量值低于标准值;浊度传感器历年测量误差整体负向漂移,表明传感器的测量值高于标准值。因此,当传感器历年测量误差均为正向或负向误差,即误差向同一个方向变化时,表明传感器数据发生漂移即性能不稳定;当传感器历年测量误差在0附近轻微波动时,表明传感器测量值稳定即传感器性能稳定。

3 结语

由于海上调查的成本高且周期长,海洋仪器一旦性能不稳定或出现系统故障,会影响数据质量和成本效益。因此,本研究以温度、电导率、浊度和叶绿素4个传感器为评价对象,以同一传感器3～5年内的历史校准数据为基础,形成海洋传感器性能评价模型,实现对海洋传感器的长期稳定性能评价;根据数据的漂移趋势判断数据的修正方法,提供的修正系数可修正传感器在2次校准周期内的数据,修正前的测量误差大且为单向增量变化,修正后的测量误差降到传感器测量准确度内且呈正态分布。

随着全国海洋观测网的建设,为提高海洋生态灾害预警监测和海洋防灾减灾等能力,海洋浮标、岸基平台和船舶等搭载的自动化仪器将越来越多,海洋监测数据的分析、应用和共享将更加强化[15],对海洋仪器的性能和测量数据的准确性提出高质量要求。因此,各海洋观测节点须定期送检各类传感器,确保仪器的性能可靠和数据准确;海洋计量检测机构应充分发挥历史计量数据的作用,建立传感器性能评价模型,为海洋观测网提供仪器的参考寿命,通过提供漂移系数有利于观测网修正传感器校准周期内的测量数据,确保长期测量数据的准确和可靠,助力全国海洋观测网和海洋强国建设。