CN107284604A - 一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，采用基于新型热敏材料的微型温度传感器阵列，设计微米级温度传感器封装，实现其微型化、可集成阵列应用，采用基于开放式电容阵列的高精度液位自动检测技术，并结合首尾两端万分之二高精度压力传感器基准，实现精准测算各温度节点的实际深度，并设计了合理的自校准系统，为后续数据处理提供参数，确保正常观测海况下对海表温度的精细化观测深度。

Description

一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标

技术领域

本发明涉及海洋仪器领域，具体地说，涉及一种用于海气界面水边界层温度剖面精细测量的漂流浮标。

背景技术

海洋和大气是全球天气和气候系统中两个最重要的组成部分。海洋和大气之间存在着广阔的交界面，通过交界面海洋与大气之间交换动量、热量和物质。海-气界面交换过程不仅能够影响天气过程的形成和演化，而且对全球气候系统的维持和变化也有重要影响。随着全球气候变暖及海洋-大气耦合研究的不断深入，海气界面过程研究已成为当今海洋科学研究的焦点问题之一。

太阳辐射是海洋获得热能的主要来源，在海气界面水边界层0-0.5米深度内的海水所吸收的太阳辐射能占渗透到海洋中太阳辐射能总量的50％。这个范围内的海水对热量在海-气间的传输起着重要的作用。其温度场对海气界面强迫作用的响应，对于深入认知海气界面过程、改进海洋混合和海气通量参数化方案等具有重要的科学意义。但是除了太阳辐射引起的变化外，海气温差、风速、降雨、波浪、环流等过程，都会对海气界面水边界层中温度和流场结构产生影响。因此，水边界层温度场呈现出变化剧烈，结构精细，不稳定的状态。

在观测技术上，水上主要是以红外辐射测量技术实现对海表皮温的测量，这一技术的代表包括卫星SST遥感和现场红外辐射测量技术。目前使用的SST红外测量装置主要有：高分辨率红外辐射计(HRIR)，温度—湿度红外辐射计(THIR)，扫描辐射计(SR)，甚高分辨力辐射计(VHRR)，高级甚高分辨力辐射计(AVHRR)，中分辨率成像光谱仪(MODIS)等。现场测量设备还包括红外CCD等。但由于其测量结果受海况，观测角度，传输通道等干扰较多，测量精度较低。此外，SST现场校准模型的建立及其计算精度很大程度上也取决于水边界层温度场直接测量的精度和精细化程度。

水下主要是采用多种新型平台进行水边界层温度场的直接观测，例如：XBT、Glider CTD以及SBE911PLUS CTD等温度剖面测量设备。这些测量设备目前技术相对成熟，较好解决了海面1m以下的温度剖面测量问题，但对于作用最为重要的水边界层测量，存在精细化程度不够，剖面测量数据不同步，以及对温度场扰动较大等一系列问题。

发明内容

针对上述不足，本发明提出一种具备小型化、密集温度传感器阵列，具备精密水位定位和深度测量能力，具备准实时卫星通讯能力的毫米级海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标。

本发明的技术方案是这样实现的：一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，包括浮标主体，所述浮标主体设有测温杆、位于测温杆下段的微型温度传感器阵列、位于测温杆上段的高密度微型温度传感器阵列、以及位于高密度微型温度传感器阵列两侧的开放式电容阵列；

所述测温杆设有若干微控制器，所述微控制器通过总线连接设于测温杆的主控制器；

每个所述微控制器连接多路AD芯片，每路AD芯片连接若干所述微型温度传感器；

所述每路AD芯片及其连接的若干所述微型温度传感器构成温度采集单元，所述每个微控制器及其所连接的温度采集单元构成温度测量模块；

所述浮标主体顶部设有卫星通讯天线。

进一步的，所述测温杆总长70cm，其中上段30cm为高密度微型温度传感器阵列，分布300个微型温度传感器；下段40cm为微型温度传感器阵列，分布40个微型温度传感器。

更进一步的，所述微型温度传感器为基于薄膜热敏材料的高精度温度传感器，采用悬空桥路结构，依靠衬底两端支撑薄膜热敏电阻层，使其吸收的热功率只能从薄膜热敏电阻层两端扩散传递到下端衬底上，降低扩散系数。

优选的所述衬底为Si衬底，用与Si衬底特性相近的硬质玻璃作为探头的封装材料，采用环氧树脂进行封装。

进一步的，所述测温杆上各微型温度传感器的嵌入点采用高精度数控技术进行加工制作，加工精度达到±0.01mm。

进一步的，所述浮标主体还设置军工级高精度标准信号源以固定周期对传感器的各节点信号采样电路进行自校准。

进一步的，所述开放式电容阵列包括若干电容器节点和若干公共端；所述电容器节点和公共端交替排列，在其外部空间形成开放式的电场，当海水在上方空间出现时，会引起相应的电容器节点与公共端之间电容发生变化，从而精准定位入水传感器节点。

更进一步的，所述开放式电容阵列采用2D阵列，增加电容器节点的分布密度。

进一步的，所述测温杆尾端以及浮标主体顶部分别放置一部高精度压力传感器；所述浮标主体顶部的高精度压力传感器用于测量海面气压，并通过建立的误差补偿模型对测温杆尾端的高精度压力传感器进行修正，以此保证基准水深的测量精度达±0.2mm。

进一步的，所述浮标主体设有重量调节模块，用于调节重心。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

基于新型热敏材料的微型化传感器阵列是本发明的关键技术。利用有限元仿真分析悬空桥路结构对La_0.7Sr_0.3MnO₃材料的温度扩散系数的影响；分析该结构的接触点噪声源对探头整体噪声影响，优化温度探头模型。采用MEMS制备工艺，设计微米级温度传感器封装，实现其微型化、可集成阵列应用。

高精度液位自动检测是温度剖面精细化测量的重要保障参数，本发明采用基于开放式电容阵列的高精度液位自动检测技术，并结合首尾两端万分之二高精度压力传感器基准，实现精准测算各微型温度传感器的实际深度。

本发明在保证较高采样频率的前提下，设计了合理的自校准系统，为后续数据处理提供参数。为减小对水边界层的扰动，保持连续测量的稳定性，优化了浮标外形结构和重心、浮心位置，使浮标具有较为稳定的姿态，确保正常观测海况下对海表温度的精细化观测深度。

附图说明

图1a是测量浮标整体结构设计图；

图1b是测量浮标整体结构的右视结构图；

图2是薄膜材料悬空结构的制备过程图；

图3是微型温度传感器的深度测量原理图；

图4是开放式电容器阵列液位检测原理图；

图5是液面层电容变化图；

图6是2D电容器阵列图；

图7是RC振荡检测电路图；

图8是基于总线的温度阵列模块化设计方案图。

其中：

1、测温杆上段； 2、测温杆下段； 3、电池仓；

4、吊环； 5、微型温度传感器； 6、开放式电容阵列；

7、高密度微型温度传感器阵列； 8、微型温度传感器阵列；

9、浮标主体顶部的高精度压力传感器；

10、测温杆尾端的高精度压力传感器；

11、卫星通讯天线；12、密封壳体； 13、主控制器；

14、采集电路；15、电池；16、环氧树脂封装；

17、Si衬底； 18、缓冲层；19、薄膜电阻材料层；

20、薄膜热敏电阻层；

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明所述浮标主体为三段可分离的圆柱体结构，从下至上分别是电池仓3与配重段、传感器及采样模块段、主控单元及通讯模块段。所述主控单元及通讯模块段设有密封壳体12，内部设有主控制器13，在该段的顶端安装卫星通讯天线11；所述电池仓与配重段设有电池仓3，安装电池15、柔性缆及重量调节模块，该段下方设有吊环4；所述传感器及采样模块段设有一测温杆，测温杆总长70cm，其中测温杆上段1长30cm，为高密度微型温度传感器阵列7，分布300个微型温度传感器5，测温杆下段2长40cm，为微型温度传感器阵列8，分布40个微型温度传感器5；该浮标以自由漂浮状态在海面上连续测量，测量数据以卫通等无线传输方式回传。

其中，关于微型温度传感器5的制备说明如下，本发明的微型温度传感器5采用悬空桥路结构设计，只靠衬底两端支撑薄膜，使其吸收的热功率只能从薄膜热敏材料两端扩散传递到下端衬底上，就可大大降低其扩散系数。

薄膜热敏电阻在不同衬底、不同结构下的噪声水平可以影响提高传感器的测量精度。通过分析比较，本发明以La_0.7Sr_0.3MnO₃材料良好的热敏特性为基础，开展MEMS微结构的薄膜温度传感器研制。

基于上述原理，本发明在温度为670℃和蒸馏臭氧压力为6.7×10^-5Pa条件下，采用超真空分子束外延方法在Si衬底17上沉积得到厚度为20nm的SrTiO3缓冲层18；在温度为720℃和34.7Pa氧气压力下，采用脉冲激光沉积方法在SrTiO3缓冲层18上制备厚度为75nm的La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜电阻材料层19(如图2的(a))和厚度为10nm的金属电极层(如图2的(b))；将树脂层置于上述金属电极层上(如图2的(c))，使用图案电极掩膜板置于树脂层上，并通过紫外线刻蚀技术去除周围多余的金属层，然后采用湿法刻蚀技术去除树脂层，得到图案金属电极层(MEMS金属电极)，如图2的(d)；结合掩模板和离子刻蚀技术去除多余的树脂层和La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜电阻材料层19(如图2的(e))，最终形成La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜热敏电阻层20和金属电极层(如图2的(f))，整个制备流程如图2所示。

为了保证薄膜热敏探头对海表温度的直接测量，我们采用与薄膜衬底(Si)特性相近的硬质玻璃作为探头的封装材料，该类玻璃导热良好，容易与Si衬底进行修饰。同时，考虑到探头与本体结构的密封问题，采用环氧树脂封装16，保证连接部位的密封性和可靠性。

温度传感器阵列中各节点所在的实际深度，是描述水边界层温度场结构的重要信息。但是由于浮标主体在波浪和海面风作用下，一直处于波动状态，其水线位置、偏离垂直轴的摆动始终处于变化之中，每一次测量均需要明确各传感器节点的即时深度。而由于传感器阵列密集排列，一般常用钽丝、光电、硅阻应变式等深度传感器受体积、测量精度、测量值不连续、响应速度滞后等原因，无法达到要求。因此本发明还设计了开放式电容阵列6的高精度液位自动检测技术，实现精准测算各微型温度传感器5的实际深度。如图3所示，如果对海表首个微型温度传感器5位置进行精确检测后，在测温杆长L以及各微型温度传感器5间距L_i已知的条件下，以测温杆尾端的高精度压力传感器10所测深度h作为基准测深点，按照公式(1)，即可测算出测温杆各微型温度传感器5的实际深度h_i：

为满足浮标在海面波动情况下对水下0～200mm范围内高分辨率的测量，设计传感器阵列高密度段长度为300mm。实际应用时可通过配重对水线位置进行微调。当浮标由于波浪发生一定倾斜时，传感器节点垂直间隔小于1mm，也能满足温度剖面分辨率1mm的指标要求。

如图1所示，本发明在高密度微型温度传感器阵列7设有开放式电容阵列6结构，用于构建感应电容传感器阵列，精准定位入水传感器节点。

如图4所示，“电容器节点”与“公共端”之间交替排列，在他们的外部空间中会形成开放式的电场。当海水在上方空间出现时，会对开放式电场造成干扰。从而引起相应的“电容器节点”与“公共端”之间电容发生变化。

因此，将“电容器节点”与“公共端”在空间上以一定的方式进行排列，当海表液位到达一定位置的时候，不同的“电容器节点”会感应到不同的电容分布，并呈现如图5的迅速下降趋势，利用电容容量变化率的大小进行检测，这种类似于触摸按键或者电容式触摸屏的探测技术，可以满足海表1mm空间分辨率的液面检测。此外，如图6所示，设计2D阵列增加“电容器节点”的分布密度达到0.2mm以内，通过适当的算法提高液面位置判断的准确性。

上述电容阵列的制备：选型Sn掺杂的N型氧化物半导体In2O3膜，通过化学蚀刻法(丝印工艺)进行图形制备，形成的产品电极图形可以达到传感器阵列毫米级的空间分辨率要求。

电容器阵列的检测技术设计：设计如图7的RC振荡比较网络测量电路，通过检测RC振荡次数即弛张振荡的方法来判读温度阵列中各节点的液面状态。图中比较器CA、电阻Rc以及电容器Csensor一起构成一个张驰振荡器结构。Csensor上有无海水都相应的改变张驰振荡器的谐振频率，采样该振荡频率就可以检测到电容器阵列中所有的Csensor变化，进行算法处理后就能准确定位测温杆上处于液面下的第一个微型温度传感器。使用开放式电容器阵列检测液位的方法，得到的是电容阵列数值的密集分布数字量，具有很好的抗干扰性和准确研判能力。

为了进一步保证测算深度的准确性，本发明还采取两项措施，一是测温杆上各微型温度传感器的嵌入点采用高精度数控技术进行加工制作，加工精度可达到±0.01mm。二是在测温杆尾端以及浮标顶部分别放置一部高精度压力传感器，浮标主体顶部的高精度压力传感器9测量海面气压，并通过建立的误差补偿模型对测温杆尾端、万分之二精度的高精度压力传感器10进行修正，以此保证基准水深的准确度其测量精度可达±0.2mm。

多达数百个的微型温度传感器5同步观测时将存在高速采集与高精度测量之间的矛盾，为保证各微型温度传感器±0.01℃的测量精度和同步性，本发明的采集电路14设计了以多路AD芯片采样+数据总线传输的方案，来达到项目指标要求。

如图8所示，各微控制器在主控制器13的控制下并行同步测量所连接的部分微型温度传感器5。微控制器与多片AD构成最小温度测量模块，各模块与主控制器13之间基于RS-485接口通信。其优点是主控制器13以广播形式可同步开启各温度测量模块，并可以根据实际测量环境的需求，灵活增加或删减测量模块的数量，便于扩展应用。

由于环境温度、湿度变化对电子元器件自身电气特性带来的不确定性将引起测量误差，为保证每次采样几百个微型温度传感器5的测量数据都在测量精度范围内，采用军工级高精度标准信号源以固定周期对传感器的各节点信号采样电路进行自校准，通过比对电路初始参数，建立数据补偿模型，消除因为环境交替变化以及传感器间转换的非线性带来的测量误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，包括浮标主体，所述浮标主体设有测温杆、位于测温杆下段的微型温度传感器阵列、位于测温杆上段的高密度微型温度传感器阵列、以及位于高密度微型温度传感器阵列两侧的开放式电容阵列；

所述测温杆设有若干微控制器，所述微控制器通过总线连接设于测温杆的主控制器；

每个所述微控制器连接多路AD芯片，每路AD芯片连接若干所述微型温度传感器；

所述每路AD芯片及其连接的若干所述微型温度传感器构成温度采集单元，所述每个微控制器及其所连接的温度采集单元构成温度测量模块；

所述浮标主体顶部设有卫星通讯天线。

2.根据权利要求1所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述测温杆总长70cm，其中上段30cm为高密度微型温度传感器阵列，分布300个微型温度传感器；下段40cm为微型温度传感器阵列，分布40个微型温度传感器。

3.根据权利要求1或2所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述微型温度传感器为基于薄膜热敏材料的高精度温度传感器，采用悬空桥路结构，依靠衬底两端支撑薄膜热敏电阻层，使其吸收的热功率只能从薄膜热敏电阻层两端扩散传递到下端衬底上，降低扩散系数。

4.根据权利要求3所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述衬底为Si衬底，用与Si衬底特性相近的硬质玻璃作为探头的封装材料，采用环氧树脂进行封装。

5.根据权利要求1或2或4所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述测温杆上各微型温度传感器的嵌入点采用高精度数控技术进行加工制作，加工精度达到±0.01mm。

6.根据权利要求1或2所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述浮标主体还设置军工级高精度标准信号源以固定周期对传感器的各节点信号采样电路进行自校准。

7.根据权利要求1所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述开放式电容阵列包括若干电容器节点和若干公共端；所述电容器节点和公共端交替排列，在其外部空间形成开放式的电场，当海水在上方空间出现时，会引起相应的电容器节点与公共端之间电容发生变化，从而精准定位入水传感器节点。

8.根据权利要求7所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述开放式电容阵列采用2D阵列，增加电容器节点的分布密度。

9.根据权利要求1所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述测温杆尾端以及浮标主体顶部分别放置一部高精度压力传感器；所述浮标主体顶部的高精度压力传感器用于测量海面气压，并通过建立的误差补偿模型对测温杆尾端的高精度压力传感器进行修正，以此保证基准水深的测量精度达±0.2mm。

10.根据权利要求1所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述浮标主体设有重量调节模块，用于调节重心。