CN112577622B - 一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器，包括耐腐蚀高强度POM测温壳体和清洁装置；所述测温壳体包括一个藏线单元和多个测温单元，所述测温单元之间相互独立；所述藏线单元用于内部电路及连接线路的走线；所述测温单元包括温度传感器阵列、采集单元和独立壳体，所述温度传感器阵列与独立壳体进行灌装填充式密封，所述采集单元对每个独立壳体内的温度传感器阵列进行差分采集。其优点在于，本发明可针对海水表层0‑0.5m的海水剖面温度进行高精度立体观测，结合海洋生物防附着装置，可实现电刷的固定位置启停，可以对实现海洋附着生物的清洁。
Description
技术领域
本发明涉及海洋气象监测传感器技术领域，特别涉及一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器。
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。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作用。
海气界面被定义在离水边界层0-0.5米深度的垂直剖面，由于该剖面场处于海水与大气的交界层，容易受太阳辐射的影响，因此该范围内温度变化趋势比较剧烈，导致其处于一种极不稳定的状态。而目前针对海水表层水温检测多以单点水温传感器为主，数据获得存在很大局限性，难以获得对海气界面所定义的温度剖面的全方位数据分析海气交互对气候环境的影响。此外还有远红外以及卫星遥感技术，但都难以获得高精度的温度数据。
综上所述，研究针对于海气界面温度剖面的测量技术，实现水边界层0-0.5米的温度场高精度观测，对海洋气候变化的深层次科学探究有着重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器，采用分段立体式的温度阵列设计结构，可实现针对海气界面层的温度剖面高精度观测。为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器，包括耐腐蚀高强度POM测温壳体和与其固定连接的清洁装置；
所述测温壳体包括一个藏线单元和多个测温单元，所述测温单元之间相互独立；
所述藏线单元用于内部电路及连接线路的走线；
所述测温单元包括温度传感器阵列、采集单元和独立壳体，所述温度传感器阵列与独立壳体进行灌装填充式密封，所述采集单元对每个独立壳体内的温度传感器阵列进行差分采集。
进一步的，所述测温壳体顶部设有上端盖，底部设有下端盖，测温壳体利用测温壳体支撑杆通过测温壳体支撑固定安装通孔将上端盖、藏线单元、多个测温单元和下端盖进行立体式固定连接；所述上端盖设有数据通讯接口和清洁装置对接丝孔，所述下端盖设有清洁装置对接丝孔，所述清洁装置通过清洁装置对接丝孔分别与上端盖、下端盖固定连接。
进一步的，所述上端盖、藏线单元、多个测温单元和下端盖之间均设有密封圈。
进一步的，所述独立壳体设有温度探头封装梯形口，所述温度传感器阵列嵌入温度探头封装梯形口中，使温度传感器阵列安装高度一致，保证了每个温度传感器与海水的接触面保持一致。
进一步的，所述藏线单元、独立壳体的上端面设有可安装密封圈的测温壳体水密连接凹槽，下端面采用平面结构，保证藏线单元与测温单元衔接、以及测温单元之间的水密特性。
进一步的，所述藏线单元内部设有采集电路系统安装卡槽，用于内部电路及连接线路的走线。
进一步的，温度传感器实测温度与标准水银温度计读数的差值较大，因此需要对温度传感器电阻的AD进行拟合校准，采用高阶多项式对水温传感器原始温度写入数据进行修正，修正公式为：
T修正＝p(8)*T8+p(7)*T7+p(6)*Ti+...+p(2)*T2+p(1)*T+p(0)
式中：T为修正前的拟合温度数据，T修正为修正后的拟合温度数据，其中p为多项式拟合系数；为将温度写入数据固定在00000-50000之间，温度写入数据为：
SHwendu＝1000*T修正+5000
进一步的，所述清洁装置包含了清洁装置封装壳体、微型电机、旋转刷杆、刷杆安装底座；所述微型电机固定在清洁装置封装壳体内的电机座上，所述微型电机通过连接轴与旋转刷杆固定连接，所述旋转刷杆下端插入刷杆安装底座内。
进一步的，所述清洁装置封装壳体底部设有固定座，所述固定座上设有行程开关，所述连接轴设有“T”台，所述“T”台设有凸轮，两者之间设有衬套一，所述凸轮与行程开关相邻，所述凸轮加套在连接轴上，所述连接套接在连接轴上。
有益效果
通过上述技术方案，本发明提供的用于深海智能浮标的定位装置具有如下优点：
1、采用分段式可拼装设计，摆脱因为长度导致的传感器标定困难的问题，并且便于组装。
2、高精度温度温度传感器阵列式精密分布，温度测量的层次丰富立体，1cm的空间分辨率，水边界层测量可达到水下50cm深度，且温度阵列测温精度在±0.01℃以内，实现了海气界面的温度剖面全方位高精度立体式分析；
3、预留挂载丝孔，提供便于挂载的接口，特别适用于海上移动平台，尤其是海洋监测资料浮标的海水表层水文观测。结合海洋资料浮标与风云卫星通讯建立的通信机制，为卫星遥感提供高精度的标准数据。另外所采集到的数据也可为研究海洋气候变化的相互影响提供可靠数据支持。
4、整体结构采用耐腐蚀材料，组件水密采用密封胶圈的逐级压封方式，保证了传感器在海洋环境的应用。
5、加入了防海洋生物附着清洁装置，可以有效避免海洋生物污染对传感器高精度测量的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器结构示意图；
图2为本发明实施例所公开的上端盖结构示意图；
图3为本发明实施例所公开的下端盖结构示意图；
图4为本发明实施例所公开的测温壳体温度单元的结构示意图；
图5为本发明实施例所公开的测温壳体藏线单元结构示意图；
图6为本发明实施例所公开的温度探头封装梯形口结构示意图；
图7为本发明实施例所公开的防生物附着自清洁装置结构剖面示意图；
图8为本发明实施例所公开的温度阵列传感器单通道采集示意图；
图9为本发明实施例所公开的温度阵列传感器采集示意图。
图中，1、测温壳体；2、清洁装置；3、上端盖；4、下端盖；5、藏线单元；6、测温单元；7、测温壳体支撑杆8、温度传感器阵列；9、数据通讯接口；10、测温壳体支撑固定安装通孔；11、清洁装置对接丝孔；12、预留挂载丝孔；13、温度探头封装梯形口；14、测温壳体水密连接凹槽；15、采集电路系统安装卡槽；16、清洁装置封装壳体；17、衬套二；18、旋转刷杆；19、刷杆安装底座；20、微型电机；21、电机座；22、连接套；23、连接轴；24、行程开关；25、凸轮；26、O型密封圈；27、油封；28、轴套，29、衬套一，30、固定座。
具体实施方式
下面结合附图1-9对本发明进行详细说明。
一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器，包括耐腐蚀高强度POM测温壳体和清洁装置；
所述测温壳体1包括一个藏线单元5和六个测温单元6，所述测温单元6之间结构上相互独立；所述藏线单元5用于内部电路及连接线路的走线；所述测温单元6包括温度传感器阵列、采集单元和独立壳体，所述每个独立壳体内设温度传感器阵列8，温度传感器阵列8包括八个温度传感器，所述温度传感器阵列8与独立壳体进行灌装填充式密封。各测温单元采用485总线级联控制，通过485信号线将各测温单元串联在一起，测温单元之间按照温度传感器阵列顺序进行排列组合，进行信息采集时，每个独立采集单元可针对八路数据进行差分采集。
所述测温壳体1顶部设有上端盖3，底部设有下端盖4，测温壳体1利用测温壳体支撑杆7通过测温壳体支撑固定安装通孔10将上端盖3、藏线单元5、六个测温单元6和下端盖4进行立体式固定连接；所述上端盖3设有数据通讯接口9和清洁装置对接丝孔11，所述下端盖4设有清洁装置对接丝孔11，所述清洁装置2的固定板30和刷杆安装底座19通过清洁装置对接丝孔11利用六角螺栓分别与上端盖3、下端盖4固定连接，六角螺栓上设有轴套28。上端盖3通过预留挂载丝孔12可方便与挂载到外部测量平台。
所述藏线单元5、测温单元6的上端面均采用设有测温壳体水密连接凹槽14，下端面采用平面设计，测温壳体水密连接凹槽14内设有O型FKM密封圈，这样可以保证藏线单元与测温单元、以及测温单元之间的水密特性。
所述独立壳体设有温度探头封装梯形口13，所述温度传感器阵列8嵌入温度探头封装梯形口13中，使温度传感器阵列安装高度一致，保证了每个温度传感器与海水的接触面保持一致。
所述藏线单元5内部设有采集电路系统安装卡槽15，用于内部电路及连接线路的走线，其空间主要用于信号线的合理布局。
温度传感器采用NTC水温传感器，其测试温度与标准水银温度计读数的差值较大，因此需要对NTC电阻的AD进行拟合校准，，采用高阶多项式对水温传感器原始温度写入数据进行修正。水温传感器修正公式为：
T修正＝p(8)*T8+p(7)*T7+p(6)*T6+...+p(2)*T2+p(1)*T+p(0)
式中：T为修正前的拟合温度数据；T修正为修正后的拟合温度数据，其中p为多项式拟合系数。为将温度写入数据固定在00000-50000之间，温度写入数据为：
SHwendu＝1000*T修正+5000
通过上述方法理论上可以得到高精度的温度。假定对比电阻阻值为10K。
| 温度 | 电阻 | AD读数 | AD>>6 |
| -5℃ | 34.480K | C650FC | 31943 |
| 35℃ | 6.928K | 68C571 | 1A315 |
| 45℃ | 4.897K | 542740 | 1509D |
NTC电阻的AD数值跨度：7229BC，即223。由此，采用223×2＝11M Byte的存储器可以满足转换要求。
由于这么大的串行存储器不易采购，由此从精度上考虑，0.001℃，需要数值精度为216。则需要的存储器大小可为216×2＝128K Byte。为防止出现个别数值缺失，考虑采用219×2＝1024K，-5℃-45℃实际需要233804，即228K。
采用AD读数为地址查表方式进行温度修正
N0：45℃时AD读数>>6
N1：-5℃时AD读数>>6
N：当前AD读数>>6
ARRY[218]：校准数据表格
T：温度值
由于校准表格在高温段出现不连续现象，如：
50000 49998 49997 49995 49993 49991 49990 49988 49986 49984 4998349981 49979 49977 49976 49974 49972 49970 49969 49967 49965 49963 49962 4996049958 49956 49955 49953 49951 49949 49948 49946 49944 49943 49941 49939 4993749936 49934 49932 49930 49929 49927 49925
为保证分辨率不缺失，采用分辨率补偿措施，及当判断当前温度值与表格下一位置温度值差异超过1时，判断AD读数的第5位，如为1，则温度值减1，否则保持当前数值。
通过数据标定和数据拟合，测温单元所有温度传感器阵列的测温精度均可到达±0.01℃范围以内。将各独立模块进行分段立体组装，即可实现深度50cm的空间温度剖面场的高精度测量，通过数据通讯接口9，温度阵列传感器可与外部采集系统并结合空间传输系统，进行数据的空间远距离传输，并可通过外部采集系统对传感器进行相应的功能控制，保证了数据传输可靠性和稳定传输。
所述清洁装置包含了清洁装置封装壳体16、微型电机20、旋转刷杆18、刷杆安装底座19；所述微型电机20固定在清洁装置封装壳体16内，所述微型电机固定在电机座21上，通过连接轴23穿过油封27与旋转刷杆18固定连接，连接轴23穿套在连接套22中，所述旋转刷杆18下端插入刷杆安装底座19内。电机座19安装在清洁装置封装壳体19内壁上，清洁装置封装壳体19底部设有固定座30，所述固定座30上设有行程开关24，所述连接轴23设有“T”台，所述“T”台设有凸轮25，两者之间设有衬套一29，所述凸轮25与行程开关24相邻，所述凸轮25加套在连接轴23上，所述连接套22接在连接轴23上，所述连接轴23穿过油封27与旋转刷杆18连接。
连接轴23与固定座30之间为嵌入式上下贯通结构，两者之间通过二道密O型封圈26做水密处理，连接轴23上端加连接套22与微型电机20转轴对接，下端设计凹槽并嵌入衬套二17与旋转刷杆18对接；此外，固定座30设计有固定安装孔用于测温壳体的对接安装。
所述旋转毛刷18上下两端分别采用了凸型结构和圆形结构，上端与安装固定座对接，下端与安装底板对接。毛刷杆中间设计有毛刷安装孔。安装底板含有圆形衬套结构和安装孔，用于毛刷杆的固定和旋转。
清洁装置2上电工作，微型电机20开始转动，通过连接套22带动连接轴23和凸轮25的旋转，凸轮25通过转动挤压行程开关24，这样通过采集行程开关的通断信号来实现对电机转动位置的控制，同时连接轴的转动也带动了旋转刷杆的转动，如此便可以对温度阵列表面进行附着生物清洁，通过控制防生物附着自清洁装置2的工作频率可实现传感器的长期可靠性的工作。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器，其特征在于，包括耐腐蚀高强度POM测温壳体和与其固定连接的清洁装置；
所述测温壳体包括一个藏线单元和多个测温单元，所述测温单元之间相互独立；
所述藏线单元用于内部电路及连接线路的走线；
所述测温单元包括温度传感器阵列、采集单元和独立壳体，所述温度传感器阵列与独立壳体进行灌装填充式密封，所述采集单元对每个独立壳体内的温度传感器阵列进行差分采集；
所述温度传感器阵列包括多个温度传感器，其实测温度与标准水银温度计读数的差值较大，因此需要对温度传感器电阻的AD进行拟合校准，采用高阶多项式对温度传感器原始温度写入数据进行修正，修正公式为：
T修正＝p(8)*T8+p(7)*T7+p(6)*Ti+...+p(2)*T2+p(1)*T+p(0)
式中：T为修正前的拟合温度数据，T修正为修正后的拟合温度数据，其中p为多项式拟合系数；为将温度写入数据固定在00000-50000之间，温度写入数据为：
SHwendu＝1000*T修正+5000
为保证分辨率不缺失，采用分辨率补偿措施，及当判断当前温度值与存储器保存的表中下一位置温度值差异超过1时，判断AD读数的第5位，如为1，则温度值减1，否则保持当前数值；
所述清洁装置包含了清洁装置封装壳体、微型电机、旋转刷杆、刷杆安装底座；所述微型电机固定在清洁装置封装壳体内的电机座上，所述微型电机通过连接轴与旋转刷杆固定连接，所述旋转刷杆下端插入刷杆安装底座内；
所述清洁装置封装壳体底部设有固定座，所述固定座上设有行程开关，所述连接轴设有“T”台，所述“T”台设有凸轮，两者之间设有衬套一，所述凸轮与行程开关相邻，所述凸轮加套在连接轴上，所述连接套接在连接轴上；
连接轴与固定座之间为嵌入式上下贯通结构，两者之间通过二道密O型封圈做水密处理，连接轴上端加连接套与微型电机转轴对接，下端设计凹槽并嵌入衬套二与旋转刷杆对接；
所述旋转刷杆上下两端分别采用了凸型结构和圆形结构，上端与安装固定座对接，下端与安装底板对接；旋转刷杆中间设计有毛刷安装孔；安装底板含有圆形衬套结构和安装孔，用于旋转刷杆的固定和旋转；
清洁装置上电工作，微型电机开始转动，通过连接套带动连接轴和凸轮的旋转，凸轮通过转动挤压行程开关，通过采集行程开关的通断信号实现对电机转动位置的控制，同时连接轴的转动带动旋转刷杆的转动，通过控制防生物附着自清洁装置的工作频率实现传感器的长期工作；
所述测温壳体顶部设有上端盖，底部设有下端盖，测温壳体利用测温壳体支撑杆通过测温壳体支撑固定安装通孔将上端盖、藏线单元、多个测温单元和下端盖进行立体式固定连接；所述上端盖设有数据通讯接口和清洁装置对接丝孔，所述下端盖设有清洁装置对接丝孔，所述清洁装置通过清洁装置对接丝孔分别与上端盖、下端盖固定连接；
上端盖和下端盖均设置有预留挂载丝孔。
2.根据权利要求1所述的一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器，其特征在于，所述上端盖、藏线单元、多个测温单元和下端盖之间均设有密封圈。
3.根据权利要求1所述的一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器，其特征在于，所述独立壳体设有温度探头封装梯形口，所述温度传感器阵列嵌入温度探头封装梯形口中，使温度传感器阵列安装高度一致，保证了每个温度传感器与海水的接触面保持一致。
4.根据权利要求2所述的一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器，其特征在于，所述藏线单元、独立壳体的上端面设有可安装密封圈的测温壳体水密连接凹槽，下端面采用平面结构，保证藏线单元与测温单元衔接、以及测温单元之间的水密特性。
5.根据权利要求1所述的一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器，其特征在于，所述藏线单元内部设有采集电路系统安装卡槽，用于内部电路及连接线路的走线。
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2020
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