CN205352461U - 一种海水温深监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海水温深监测装置，涉及海洋监测技术领域。一种海水温深监测装置，包括壳体，壳体两端分别设置上防水盖和下防水盖，上防水盖外部设置水密接头，壳体内部设置电源板、主控电路板、温度传感器和深度传感器，主控电路板包括主控模块、数据采集模块、电源管理模块、时钟模块、存储模块、通信模块，温度数据采集电路与温度传感器电连接，深度数据采集电路与深度传感器电连接。本实用新型的有益效果在于：它采用模块化设计，用高性能低功耗的主控模块和高精度的模数转换器为核心组建测温电路，提高了测量精度，并且设备体积小、重量轻，使用方便。

Description

一种海水温深监测装置

技术领域

本实用新型涉及海洋监测技术领域，特别是一种海水温深监测装置。

背景技术

目前，人类已经进入了对海洋资源进行深度开发和利用的新时代。海洋作为地球上最大的自净化系统，有着丰富的资源和广阔的利用空间。它也是维系整个生态平衡的重要部分，是人类赖以生存及可持续发展的宝贵资源。但是，由于地球上人口数量的激增和陆地资源的匮乏，使得人类对海洋资源进行过度开发，造成海洋生态系统不平衡。这就使得人类不得不重新认识海洋，珍惜利用海洋的每一份资源。我国是一个海洋大国，海洋资源丰富，海洋的开发和利用关系着整个国家发展的长远利益。在当代海洋经济不断发展的新形势下，我国提出了建设创新型海洋经济强国的目标。所以，现阶段我国对海洋研究方向非常重视，并加大了对这方面的研究力度。其重视程度也越来越高，得到了多方面的支持。

海洋观测是研究海洋，开发海洋的基础，海水的温度与深度是物理海洋研究中两个重要参数，海水温度直接反映着海洋的热状态，而海水承受的压力又直接影响着其密度。因而，在海洋剖面测量中，同时测量温度、深度两个参量的变化可对海洋垂直结构温度场的研究提供参考。同时对这两个物理量的监测可以让人类更好地了解海洋状况，合理利用和开发海洋资源，满足我国的海洋战略。目前，以物理海洋学为主的海洋调查均需要涉及到对海洋温度和深度的监测。

通过对海水的温度、深度的测量研究，可以更好的了解海洋环境的变化，为解决重大环境问题奠定了坚实的基础。海水多参数监测系统就是对海水相关参数进行实时监测的重要设备。一般情况下，其由传感器网络和控制中心构成。它能够对海水参数进行采集，并将采集数据显示出来，实现对各个参数的动态监测。

伴随着海洋开发的不断深入，越来越多的实验需要在真实海洋环境下进行，测量技术是研究海洋最基本的一项技术。海洋深度和温度测量技术也在实践中不断发展完善。作为海洋观测技术的核心技术，测量传感器技术日益成为发现和解释海洋新现象的重要手段。相比于单通道参数测量仪而言，温深测量仪可同时进行海水温度和深度的测量，用途较为广泛，其不仅可用于测量海洋、湖泊、水库的水温变化也可以根据不同深度测量各水层的温度场随时间序列的变化，还可用于海洋潮沙与波浪观测、海洋内波及混合观测、海洋温跃层测量、深海瑞流研究以及其他海洋仪器参数补偿等。但是现有的海水温深测量装置测量精度不准确，因此亟需一种能够准确测量海水温度和深度的测量装置。

实用新型内容

为解决现有技术中的不足，本实用新型提供一种海水温深监测装置，它采用模块化设计、高性能低功耗的主控模块、温度和深度独立的数据采集模块为核心组建温深测量电路，提高了测量精度，并且设备体积小、重量轻，使用方便。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种海水温深监测装置，包括壳体，所述壳体两端分别设置上防水盖和下防水盖，所述上防水盖外部设置水密接头，所述壳体内部设置电源板、与电源板电连接的主控电路板、与主控电路板电连接的温度传感器和深度传感器，所述主控电路板包括主控模块、数据采集模块、电源管理模块、时钟模块、存储模块、通信模块，所述数据采集模块、电源管理模块、时钟模块、存储模块、通信模块均与主控模块电连接，所述数据采集模块包括相互独立的温度数据采集电路和深度数据采集电路，所述温度数据采集电路与温度传感器电连接，所述深度数据采集电路与深度传感器电连接。

所述深度传感器为硅压力传感器。

所述温度传感器为珠状密封式半导体热敏电阻式温度传感器。

所述壳体内部靠近下防水盖一端设置保护壳，所述温度传感器封装在保护壳内部。

所述温度数据采集电路包括前端分压电路、与前端分压电路电连接的温度信号调理电路、与温度信号调理电路电连接的恒压源电路和温度模数转换电路。

所述深度数据采集电路包括深度信号调理电路、与深度调理信号电连接的恒流源电路和深度模数转换电路。

所述深度数据采集电路为单点接地式电路。

所述深度数据采集电路还包括滤波电路和退耦电路。

所述壳体为不锈钢壳体。

所述保护壳为不锈钢壳。

对比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型主控电路采用了模块化设计，模块化设计不仅有利于仪器的分步调试，缩短了开发周期，也有利于测量仪进一步的升级改造；并且，数据采集模块中包括两个互相独立的温度数据采集电路和深度数据采集电路，两者互不干扰，提高了测量精度；另外，本装置体积小、重量轻，使用方便。

2、本装置中深度传感器为硅压力传感器，具有灵敏度高、过压能力强和迟滞性低等优点，尺寸小、精度高，非常适合海洋压力测量。

3、本装置中温度传感器为珠状密封式半导体热敏电阻，性能好，实用性强。

4、壳体内部设置保护壳，温度传感器封装在保护壳内部，使其能够承受较大的压力。

5、深度数据采集电路还包括滤波电路和退耦电路，滤波电路可用以消除外来噪声对深度数据采集电路的干扰；退耦电路减少局部电路对外部电路的噪声干扰，提高测量精度。

6、深度数据采集电路为单点接地，以进一步减小元器件互相的干扰，提高测量精度。

7、壳体为不锈钢壳体，耐腐蚀性好，能够适应海洋工作环境，使用寿命长。

8、保护壳为不锈钢壳，强度高，耐腐蚀性好，能够承受较大的压力、适应海洋工作环境，使用寿命长。

附图说明

附图1是本实用新型结构示意图；

附图2是本实用新型原理框图；

附图3是本实用新型深度传感器传感器内部结构电路；

附图4是本实用新型温度数据采集电路图；

附图5是本实用新型深度数据采集电路图；

附图6是本实用新型电源管理模块电路图。

附图中所示标号：1、壳体；2、上防水盖；3、下防水盖；4、水密接头；5、电源板；6、主控电路板；7、温度传感器；8、深度传感器；9、主控模块；10、数据采集模块；11、电源管理模块；12、时钟模块；13、存储模块；14、通信模块；15、保护壳。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种海水温深监测装置，包括壳体1，所述壳体1两端分别设置上防水盖2和下防水盖3，所述上防水盖2外部设置水密接头4，所述壳体1内部设置电源板5、与电源板5电连接的主控电路板6、与主控电路板6电连接的温度传感器7和深度传感器8。所述主控电路板6包括主控模块9、数据采集模块10、电源管理模块11、时钟模块12、存储模块13、通信模块14，所述数据采集模块10、电源管理模块11、时钟模块12、存储模块13、通信模块14均与主控模块9电连接，所述数据采集模块10包括相互独立的温度数据采集电路和深度数据采集电路，所述温度数据采集电路与与温度传感器7电连接，所述深度数据采集电路与深度传感器8电连接。主控电路采用了模块化设计，模块化设计不仅有利于仪器的分步调试，缩短了开发周期，也有利于测量仪进一步的升级改造。主控模块：主控模块采用的主控芯片为ATmega32，通过控制其他模块实现数据的采集、存储和通信，完成系统初始化设置，其包括I/O端口初始化、SPI初始化、TWI初始化和串口初始化。数据采集模块：通过两个互相独立的温度数据采集电路和深度数据采集电路，对温度和深度信号进行周期性采集和转换，并将转换结果通过SPI总线发送给主控模块。存储模块：采用高性能、非易失性FLASH—AT45DB642D，AT45DB642D使用SPI串行通信，可以极大地简化芯片引脚数量和缩小封装尺寸，从而优化电路设计，提高硬件的可靠性；存储模块中的存储芯片使用I/O口模拟SPI时序与主控模块进行数据交换，主控模块可将存储在其RAM中的数据通过SPI总线存储在外部FLASH中，在数据下载时，主控模块将读取FLASH中的数据并将数据通过串口发送出来。时钟模块：采用实时时钟芯片PCF8563，PCF8563使用I2C总线进行地址和数据的连续传输，总线最大传输速度为400bit/s，寄存器地址在读写数据后自动增加，其同时具有日历、时钟、计时和低电压检测等功能，可通过编程定时输出中断以及提供特定频率的方波，室温环境下，芯片工作电压为1V到5.5V，3V供电时的典型电流为0.25μA；主控模块通过TWI总线对实时时钟芯片进行编程，编程后的实时时钟将能够周期性的提供中断输出，对周期性采样提供参考，也可提供闹钟功能，使仪器定时开关机。通信模块：采用USB转UART数据收发器—FT232RL，FT232RL得PC机可以通过USB端口与单片机的UART进行通信，其内部集成有EEPROM、USB中端电阻和无需额外晶振的时钟电路，温深监测装置可以通过通信模块与PC机进行通信，实现数据下载、实时数据釆集、标定系数修改等功能。电源管理模块(参考图6)：由一节3.6V的锂电池供电，利用线性稳压器LTC1844-3.3来对模拟供电进行控制，对电池电量进行监测，为布放周期提供必要参考。

作为优化，所述深度传感器8为硅压力传感器，硅压力传感器是一种半导体压阻式压力传感器，其克服了应变式压力传感器的很多缺点，具有灵敏度高、过压能力强和迟滞性低等优点。这种压力传感器使用了激光焊接超薄不锈钢介质隔离膜片技术，使其具有更小的尺寸、更高精度，非常适合海洋压力测量。图3为硅压力传感器内部电路图，它是一个惠斯通电桥，四个薄膜电阻R_S1到R_S4通过感知来自于不锈钢隔离膜片的压力，其自身阻值发生相应变化，再利用±OUT两端的电压差从而对压力进行测量；右侧的四个电阻为补偿电阻，R₁和R₂与桥式电阻并联起补偿作用，R₃和R₄与桥式电阻串联起补偿作用，本装置中釆用l00Bar量程的压力传感器，有效测量量程为0m到1000m。

作为优化，所述温度传感器7为珠状密封式半导体热敏电阻式温度传感器，其基本参数为：25℃零功率电阻R₂₅＝19±8，材料系数B_(25，50)＝3700±5％K，时间响应常数T<30ms，适用的测温范围为-5到35℃，实用性强。

作为优化，所述壳体1内部设置保护壳15，所述温度传感器7封装在保护壳15内部。本装置总体设计要求最大布放深度为1200m，此时测量装置将承受很大的水压，为了保护温度传感器，因此需要将其封装在一个不锈钢材质的保护壳中，封装后的热敏电阻温度传感器响应时间会加大，经测试，响应时间小于2s，能够满足设计要求，同时，封装后热敏电阻温度传感器的耗散率也将升高，从而使得热敏电阻温度传感器自热效应对测量不会造成影响。

作为优化，所述温度数据采集电路(参考图4)包括前端分压电路、与前端分压电路电连接的温度信号调理电路、与温度信号调理电路电连接的恒压源电路和温度模数转换电路，前端分压电路采用3V基准电压源作为驱动，当测量环境的温度发生变化时，热敏电阻的阻值发生改变，经过分压电路作用，输出的电压信号首先进入一个电压跟随器进行信号调理，由于跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低等特点，可以对电路起到隔离和缓冲的作用，由跟随器输出的无放大电压信号，进入24位ADC模拟数字转换器中进行模数转换，并最终将数字信号传输给主控模块。ADC模拟数字转换器的参考电压使用了与驱动电压相同的3V基准电压，从而形成了比值测量，比值测量的优势在于，当电源电压发生变化时，虽然基准电压源也会发生变化，但驱动电压和参考电压的比值并不会发生改变，这就消除了基准电压的漂移和供电电压的降低对测量精度的影响。在本电路中，前置放大器采用MAX9620，MAX9620是一款低功耗、低噪声、零漂移精密运算放大器，既可使用1.8V至5.5V单极电源供电也支持±0.8V到土2.75V双极电源供电，支持满摆幅CMOS输入和输出，单位增益稳定，并能驱动一定的电容负载，在正常工作温度范围内电源电流仅为59μA，输入失调电压最大仅为10UV，输入失调电压漂移为5nV/℃，MAX9620的零温漂特性降低了在CMOS输入运算放大器中常见的较大1/f噪声，使其非常适合低频测量应用；模数转换芯片采用—LTC2400芯片，LTC2400具有24位转换精度，工作电压为2.7V到5.5V，积分非线性和噪声均方根分别为4ppm和0.3ppm，LTC2400采用的是A-2转换技术，为多路复用的应用方式提供单循环稳定时间，LTC2400内部集成有晶体振荡器，可通过单引脚配置抑制50Hz或60Hz的信号频率，用来调节信号转换速率，而无需连接额外器件，当外接振荡器时可以设置抑制1Hz到120Hz的信号范围，转换器能够接受从0.1V到VCC的参考电压，在-1.25V_REF到+1.25V_REF的输入电压量程内，能够流畅的识别出前端传感器和信号调理电路的失调和过量程问题。LTC2400使用一种灵活的三线制数字接口与主控芯片进行通信，能够同时兼容SPI通信MICROWIRE通信。

作为优化，所述深度数据采集电路(参考图5)包括深度信号调理电路、与深度调理信号电连接的恒流源电路和深度模数转换电路，本电路中采用0.5mA的恒流源作为驱动电源，深度传感器通过感知外部压力而使内部压敏电阻阻值发生改变，其输出电压以差分的形式进入放大器AD623，经过AD623放大以单端形式输出并进入ADC模拟数字转换器进行模数转换，由于电流恒定且流经电桥两路支路的电流相等，因而芯片AD623的引脚2输入电压为V_n＝0.5(RS3+R3)I，引脚3输入电压为V_p＝0.5(RS4+R4)I，则放大器的输出电压为V_out＝0.5I×G×(RS4+R4-RS3-R3)，当ADC模拟数字转换器使用相同的2.5V基准电压源时同样将构成比值测量，从而可以消除基准电压漂移。

作为优化，所述深度数据采集电路为单点接地式电路，以进一步减小元器件互相的干扰，提高测量精度。

作为优化，所述深度数据采集电路还包括滤波电路和退耦电路，滤波电路可用以消除外来噪声对深度数据采集电路的干扰；退耦电路减少局部电路对外部电路的噪声干扰，提高测量精度。

作为优化，所述壳体1为不锈钢壳体，耐腐蚀性好，能够适应海洋工作环境，使用寿命长。

作为优化，所述保护壳15为不锈钢壳，强度高，耐腐蚀性好，能够承受较大的压力、适应海洋工作环境，使用寿命长。

Claims (10)

1.一种海水温深监测装置，其特征在于：包括壳体(1)，所述壳体(1)两端分别设置上防水盖(2)和下防水盖(3)，所述上防水盖(2)外部设置水密接头(4)，所述壳体(1)内部设置电源板(5)、与电源板(5)电连接的主控电路板(6)、与主控电路板(6)电连接的温度传感器(7)和深度传感器(8)，所述主控电路板(6)包括主控模块(9)、数据采集模块(10)、电源管理模块(11)、时钟模块(12)、存储模块(13)、通信模块(14)，所述数据采集模块(10)、电源管理模块(11)、时钟模块(12)、存储模块(13)、通信模块(14)均与主控模块(9)电连接，所述数据采集模块(10)包括相互独立的温度数据采集电路和深度数据采集电路，所述温度数据采集电路与温度传感器(7)电连接，所述深度数据采集电路与深度传感器(8)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种海水温深监测装置，其特征在于：所述深度传感器(8)为硅压力传感器。

3.根据权利要求1所述的一种海水温深监测装置，其特征在于：所述温度传感器(7)为珠状密封式半导体热敏电阻式温度传感器。

4.根据权利要求1或3所述的一种海水温深监测装置，其特征在于：所述壳体(1)内部设置保护壳(15)，所述温度传感器(7)封装在保护壳(15)内部。

5.根据权利要求1所述的一种海水温深监测装置，其特征在于：所述温度数据采集电路包括前端分压电路、与前端分压电路电连接的温度信号调理电路、与温度信号调理电路电连接的恒压源电路和温度模数转换电路。

6.根据权利要求1所述的一种海水温深监测装置，其特征在于：所述深度数据采集电路包括深度信号调理电路、与深度调理信号电连接的恒流源电路和深度模数转换电路。

7.根据权利要求6所述的一种海水温深监测装置，其特征在于：所述深度数据采集电路为单点接地式电路。

8.根据权利要求6所述的一种海水温深监测装置，其特征在于：所述深度数据采集电路还包括滤波电路和退耦电路。

9.根据权利要求1所述的一种海水温深监测装置，其特征在于：所述壳体(1)为不锈钢壳体。

10.根据权利要求4所述的一种海水温深监测装置，其特征在于：所述保护壳(15)为不锈钢壳。