CN215178181U - 一种非接触测量海水表面温度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非接触测量海水表面温度的装置，包括反射镜结构、聚焦镜、热电堆传感器、低噪声前置放大电路板、信号处理电路板、防水连接器和上位机；反射镜结构与海平面呈45°夹角倾斜，对大气辐射的长波红外光以及海水表面辐射的长波红外光进行反射；在反射镜结构的反射光路上依次设置聚焦镜、热电堆传感器、低噪音前置放大电路板；热电堆传感器电连接在低噪声前置放大电路板上，热电堆传感器位于聚焦镜的聚焦位置处；低噪声前置放大电路板和信号处理电路板电性连接，信号处理电路板通过防水连接器与上位机连接。本实用新型能够有效提升测量灵敏度以及测温分辨率，引入了大气辐射对海水表面温度测量的影响，提高了测试数据准确性。

Description

一种非接触测量海水表面温度的装置

技术领域

本实用新型涉及海水表面温度测量的技术领域，特别涉及一种非接触测量海水表面温度的装置。

背景技术

海水表面温度是地球“海—气”系统最重要的指标之一，是重要的海洋科学参数，其指标充分体现了全球气候变化，是民用、科研及军事规划和建设的重要参考因素之一。因此，准确地测量海洋表面温度具有重要的意义。但是由于一些客观因素，目前国内对海洋表面温度的测量存在一定的局限性，主要体现在以下几点：

(1)目前国内对海洋表面温度的测量主要采用卫星遥感非接触测量和海面固定接触式测量。卫星遥感技术通过卫星对海洋辐射的红外能量进行收集，反映出海洋辐射面的温度，但由于受大气辐射、水汽吸收、云层反射等多重因素影响，所获得的数据误差较大；另外，由于海洋表面温度一般定义为表层500 微米以内区域的海水温度，固定接触式测量的传感器(例如金属铂电阻、温敏电阻桥等)的体积会严重超出此区域，造成测量结果不准确。

(2)自然界任何物质的组成分子都处于热运动，在绝对零度(-273℃) 以上的物体都在向空间辐射红外线，其辐射能量密度与物体自身的温度关系符合普朗克定律。因此，近些年的一些科研单位和研究机构，采用国外先进的红外测温传感器(例如APOGEE、HEITRONICS等)安装在舰船上，距离海面8-10m 的距离，实现了非接触海水表面温度的测量。但这些传感器的价格比较昂贵，单台售价几万元到十几万元不等，而对海水表面温度测量时需要进行大量布点，因此需要大量的经费支持，使用成本十分高昂。

(3)虽然现在有很多国产的红外非接触测温装置，基本可以实现人体温度(35℃～42℃)较为精确地测量，也有一些国产的工业级非接触红外温度测量装置可以实现数十摄氏度至数百摄氏度的测量，但这些温度测量装置的使用时的工作温度仅限于-20℃以上，特别是民用测温仪仅能在+20℃以上环境下使用，而海水的组成较为多样且复杂，其凝冰点比淡水要低，且与海水盐度有很大关系，为了保证测量范围，海水表温测量的测温仪一般要求工作温度可以满足-30℃～+60℃、可以测量目标温度-15℃～+50℃，但目前阶段，能够满足该指标的国产红外测温装置是比较少见的。

实用新型内容

本实用新型为解决现有固定接触式测量的传感器的体积会严重超出此测量区域，造成测量结果不准确，以及采用国外红外测温传感器进行非接触式测量时使用成本十分高昂的问题，本实用新型提出了一种非接触测量海水表面温度的装置。

本实用新型的技术解决方案是：

一种非接触测量海水表面温度的装置，其特殊之处在于：包括反射镜结构、聚焦镜、热电堆传感器、低噪声前置放大电路板、信号处理电路板、防水连接器和上位机；

所述反射镜结构与海平面呈45°夹角倾斜设置，用于对大气辐射的长波红外光以及海水表面辐射的长波红外光进行反射；

在反射镜结构的反射光路上依次设置聚焦镜、热电堆传感器、低噪音前置放大电路板；

所述热电堆传感器固定连接在低噪声前置放大电路板上，所述热电堆传感器位于所述聚焦镜的聚焦位置处；

所述低噪声前置放大电路板和信号处理电路板电性连接，信号处理电路板通过防水连接器与上位机连接。

进一步地，所述反射镜结构包括第一反射镜片、第二反射镜片，所述第一反射镜片的反射面向上，所述第二反射镜片的反射面向下。

进一步地，所述反射镜结构包括一个反射镜片，所述反射镜片的反射面能够绕着反射光路的光轴旋转，这样，通过调整反射镜片的反射面能够将其他方向辐射的长波红外光反射进聚焦镜，进而进行测量。

进一步地，还包括旋转镜筒和固定筒；

所述反射镜结构安装在旋转镜筒上，所述旋转镜筒在所述反射镜结构的反射面方向开设透光孔；

聚焦镜、热电堆传感器、低噪声前置放大电路板、信号处理电路板依次安装在固定筒内，所述固定筒与旋转镜筒相通，且旋转镜筒套设在固定筒上，这样，转动旋转镜筒就可以实现调整反射镜片的反射面朝向。

进一步地，所述防水连接器固定贯穿设置在固定筒壁上。

进一步地，所述旋转镜筒与固定筒连接的一端设置定位件，所述定位件为周向设置的定位螺钉，所述固定筒的周向设置有与定位螺钉相对应的定位螺孔，这样，通过周向的定位螺钉和定位螺钉孔，可以将旋转后的旋转镜筒进行定位。

进一步地，热电堆传感器型号为SGXV02-100-100-100。

进一步地，所述低噪声前置放大电路板包括运放芯片，所述运放芯片型号为SGM8552。

进一步地，所述信号处理电路板包括A/D转换电路、电平转换电路，所述 A/D转换电路包括A/D转换芯片和单片机，所述A/D转换芯片型号为SGM58031，所述A/D转换电路的单片机型号为STC12C5A60S2，电平转换电路的芯片型号为 STC3232E。

进一步地，在固定筒和旋转镜筒上设置对应的刻度线；聚焦镜通过密封胶密封固定在固定筒内壁面，低噪声前置放大电路板、信号处理电路板与固定筒的安装处采用防松点胶处理，固定筒与防水连接器通过穿墙方式安装，且安装处有防水密封圈并涂抹密封胶。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果如下：

1、本实用新型中采用非接触测量的方法，利用反射镜将长波红外光反射进聚焦镜，经过汇聚后的长波红外光作用于热电堆传感器的有效响应面，低噪声前置放大电路对热电堆传感器输出的微弱电压信号进行放大滤波，信号处理电路对放大后的信号进行A/D转换、温度计算、数据处理等操作，最终通过串口输出数据，该装置通过辐射测温的方式，能够测量到的表层500微米水深以内的海水温度，有效提高海水表面测量结果的准确性。

2、本实用新型通过反射镜将海面辐射和大气辐射的长波红外光反射进聚焦镜，最终测量海面温度和大气温度，输出两组数据，引入了大气辐射对海水表面温度测量的影响，进一步提高测量数据的准确性。

3、本实用新型中传感器、低噪声前置放大电路板、信号处理电路板中元器件采用国产器件且价格较低，大量布点使用成本较低，能够适应民用、工业以及部分军用环境下使用。

4、本实用新型包括反射镜结构、聚焦镜、热电堆传感器、低噪声前置放大电路板、信号处理电路板、防水连接器和上位机，这些器件以及器件之间采用的密封材料均能够至少满足-40℃～+85℃，通过环境应力试验实际验证本发明可以在-30℃～+60℃下完成目标温度范围为-18℃～+55℃的测量，测温分辨率达到了0.1℃，测试精度优于±0.3℃。

附图说明

图1为本实用新型的实施例一结构示意图；

图中：1-反射镜结构、2-旋转镜筒、3-定位件、4-聚焦镜、5-热电堆传感器、6-低噪声前置放大电路板、7-信号处理电路板、8-固定筒、9-防水连接器、 10-上位机。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解为本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例一

如图一所示，该非接触测量海水表面温度的装置，包括反射镜结构1、旋转镜筒2、聚焦镜4、热电堆传感器5、低噪声前置放大电路板6、信号处理电路板7、固定筒8、防水连接器9和上位机10；

反射镜结构1包括反射镜片，反射镜片为镀金平面反射镜，镀金平面反射镜对长波红外的反射率大于95％，反射镜片安装在旋转镜筒2上，反射镜片与海平面呈45°夹角倾斜设置；

旋转镜筒2在反射镜片的反射面方向开设透光孔，辐射的长波红外光通过透光孔进入装置；旋转镜筒2与固定筒8相通，经反射镜反射的长波红外光进入固定筒8内；

旋转镜筒2为套筒状结构，旋转镜筒2内径壁套设在固定筒8的外筒壁上，通过转动旋转镜筒2能够改变反射镜片的反射面朝向；当对海面温度进行测量时，发射镜片的反射面向下，透光孔相应朝向海面，海面辐射的长波红外光反射进聚焦镜；对海洋环境的大气温度进行测量时，旋转旋转镜筒，使发射镜的反射面向上，透光孔也相应朝向天空，将大气辐射的长波红外光反射进聚焦镜；

固定筒8内依次安装聚焦镜4、热电堆传感器5、低噪声前置放大电路板6、信号处理电路板7；聚焦镜4通过密封胶密封固定在固定筒8内壁面，隔绝水汽和防止松动；低噪声前置放大电路板6和信号处理电路板7进行三防处理，通过螺钉安装于固定筒8的内部，安装处进行防松点胶处理，低噪声前置放大电路板6和信号处理电路板7之间通过硅胶软排线连接；

在反射镜片的反射光路依次经聚焦镜4、热电堆传感器5、低噪音前置放大电路板6；

热电堆传感器5位于聚焦镜4的聚焦位置处，热电堆传感器5选用的是福建西人马公司出产的SGXV02-100-100-100型热电堆传感器，热电堆传感器5 的响应波段为8-14μm，聚焦镜4采用无热化设计，并镀有增透膜，在8-14μm的透过率不小于95％，反射镜片将长波红外光反射进聚焦镜4，经过汇聚后的长波红外光作用于热电堆传感器5的有效响应面，热电堆传感器5固定连接在低噪声前置放大电路板6上，低噪声前置放大电路6对热电堆传感器5输出的微弱电压信号进行放大滤波；

信号处理电路板7和低噪声前置放大电路板6电性连接，信号处理电路板 7通过防水连接器9与上位机10连接，信号处理电路对放大后的信号进行A/D 转换、温度计算、数据处理等操作，最终通过串口输出数据；

固定筒8与防水连接器9通过穿墙方式安装，安装处有防水密封圈并涂抹密封胶，防水连接器9在固定筒8的内部通过硅胶软排线与信号处理电路板7 连接，防水连接器9的防水等级达到IP67，防水连接器9通过串口与上位机 10连接；

旋转镜筒2、固定筒8采用6063铝材加工，表面进行防氧化抛砂电镀处理以提高耐氧化性和耐腐蚀性，能够适应海面等存在高氧化和腐蚀性环境使用。

其中，旋转镜筒2与固定筒8连接的一端设置周向设置的定位件3，即定位螺钉，所述固定筒8的周向设置有与定位螺钉相对应的定位螺孔；定位螺钉和定位螺孔起到旋转镜筒2在固定筒8上的定位作用，使转动后的旋转镜筒2 在固定筒8上的位置是稳定的、确定的。

其中，所述低噪声前置放大电路板6包括运放芯片，所述运放芯片运放芯片选用圣邦微电子生产的SGM8552。

其中，所述信号处理电路板7包括A/D转换电路、电平转换电路，A/D转换芯片选用的圣邦微电子生产的SGM58031，该芯片为4通道16bitΔΣ型ADC，所述A/D转换电路的单片机选用宏晶电子生产的STC12C5A60S2单片机，电平转换电路的转换芯片选用的是宏晶电子生产的STC3232E。

此外，在固定筒8和旋转镜筒2上设置对应的刻度线，方便确定和显示旋转镜筒2在固定筒8上转动的位置。

实施例二

该非接触测量海水表面温度的装置，包括反射镜结构1、聚焦镜4、热电堆传感器5、低噪声前置放大电路板6、信号处理电路板7、防水连接器9和上位机10；

反射镜结构1包括第一反射镜片、第二反射镜片，第一反射镜片、第二反射镜片均与海平面呈45度夹角倾斜设置，第一反射镜片的反射面向上，第一反射镜片用于对大气辐射的长波红外光进行反射，第二反射镜片的反射面向下，第二反射镜片用于对海水表面辐射的长波红外光进行反射；

在反射镜结构1的反射光路上依次设置聚焦镜4、热电堆传感器5、低噪音前置放大电路板6；

热电堆传感器5固定连接在低噪声前置放大电路板6上，热电堆传感器5 位于聚焦镜4的聚焦位置处；

低噪声前置放大电路板6和信号处理电路板7电性连接，信号处理电路板 7通过防水连接器9与上位机10连接。

其中，热电堆传感器5选用的是福建西人马公司出产的 SGXV02-100-100-100型热电堆传感器。

其中，所述低噪声前置放大电路板6包括运放芯片，所述运放芯片运放芯片选用圣邦微电子生产的SGM8552。

其中，所述信号处理电路板7包括A/D转换电路、电平转换电路，A/D转换芯片选用的圣邦微电子生产的SGM58031，该芯片为4通道16bitΔΣ型ADC，所述A/D转换电路的单片机选用宏晶电子生产的STC12C5A60S2单片机，电平转换电路的转换芯片选用的是宏晶电子生产的STC3232E。

具体工作过程如下：

测试前完成被测区域中海水表面发射率L_d和大气辐射率L_a的标定工作，根据热力学第一定律求得大气辐射对海水表面辐射的影响系数B；将非接触测量海水表面温度的装置安装于舰船甲板边缘或其他高于海面的物体上，保证固定筒8与物体刚性连接，安装完毕后静置时间大于15min且不通电，使得环境温度与装置内部达到平衡；旋转调节套装在固定筒8上的旋转镜筒2，使得镀金平面反射镜呈45度面向海面，海水表面辐射的长波红外光经镀金平面反射镜 45度反射再经聚焦镜4汇聚在热电堆传感器5的响应靶面上；低噪声前置放大电路对热电堆传感器输出的微弱电压信号进行放大滤波，信号处理电路对放大后的信号进行A/D转换、温度计算、数据处理等操作，最终通过串口输出数据，获得初步的海面温度T₁；旋转调节套装在镜筒3上的旋转镜筒2，使得镀金平面反射镜呈45度面向天空，大气辐射的长波红外光经镀金平面反射镜45度反射再经红聚焦镜4汇聚在热电堆传感器5的响应靶面上；获得大气温度T₂；根据公式T_S＝T₁-T₂*B，计算出准确的海水表面温度值。

以上公开的仅为本实用新型的具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种非接触测量海水表面温度的装置，其特征在于：包括反射镜结构(1)、聚焦镜(4)、热电堆传感器(5)、低噪声前置放大电路板(6)、信号处理电路板(7)、防水连接器(9)和上位机(10)；

所述反射镜结构(1)与海平面呈45°夹角倾斜设置，用于对大气辐射的长波红外光以及海水表面辐射的长波红外光进行反射；

在反射镜结构(1)的反射光路上依次设置聚焦镜(4)、热电堆传感器(5)、低噪声前置放大电路板(6)；

所述热电堆传感器(5)固定连接在低噪声前置放大电路板(6)上，所述热电堆传感器(5)位于所述聚焦镜(4)的聚焦位置处；

所述低噪声前置放大电路板(6)和信号处理电路板(7)电性连接，信号处理电路板(7)通过防水连接器(9)与上位机(10)连接。

2.如权利要求1所述的非接触测量海水表面温度的装置，其特征在于：所述反射镜结构(1)包括第一反射镜片、第二反射镜片，所述第一反射镜片的反射面向上，所述第二反射镜片的反射面向下。

3.如权利要求1所述的非接触测量海水表面温度的装置，其特征在于：所述反射镜结构(1)包括一个反射镜片，所述反射镜片的反射面能够绕着反射光路的光轴旋转。

4.如权利要求3所述的非接触测量海水表面温度的装置，其特征在于：还包括旋转镜筒(2)和固定筒(8)；

所述反射镜结构(1)安装在旋转镜筒(2)上，所述旋转镜筒(2)在所述反射镜结构(1)的反射面方向开设透光孔；

聚焦镜(4)、热电堆传感器(5)、低噪声前置放大电路板(6)、信号处理电路板(7)依次安装在固定筒(8)内，所述固定筒(8)与旋转镜筒(2)相通，且旋转镜筒(2)套设在固定筒(8)上。

5.如权利要求4所述的非接触测量海水表面温度的装置，其特征在于：所述防水连接器(9)固定贯穿设置在固定筒(8)壁上。

6.如权利要求5所述的非接触测量海水表面温度的装置，其特征在于：所述旋转镜筒(2)与固定筒(8)连接的一端设置定位件(3)，所述定位件(3)为周向设置的定位螺钉，所述固定筒(8)的周向设置有与定位螺钉相对应的定位螺孔。

7.如权利要求1-6任一所述的非接触测量海水表面温度的装置，其特征在于：热电堆传感器(5)型号为SGXV02-100-100-100。

8.如权利要求1-6任一所述的非接触测量海水表面温度的装置，其特征在于：所述低噪声前置放大电路板(6)包括运放芯片，所述运放芯片型号为SGM8552。

9.如权利要求1-6任一所述的非接触测量海水表面温度的装置，其特征在于：所述信号处理电路板(7)包括A/D转换电路、电平转换电路，所述A/D转换电路包括A/D转换芯片和单片机，所述A/D转换芯片型号为SGM58031，所述A/D转换电路的单片机型号为STC12C5A60S2，电平转换电路的芯片型号为STC3232E。

10.如权利要求1-6任一所述的非接触测量海水表面温度的装置，其特征在于：在固定筒(8)和旋转镜筒(2)上设置对应的刻度线；聚焦镜(4)通过密封胶密封固定在固定筒(8)内壁面，低噪声前置放大电路板(6)、信号处理电路板(7)与固定筒(8)的安装处采用防松点胶处理，固定筒(8)与防水连接器(9)通过穿墙方式安装，且安装处有防水密封圈并涂抹密封胶。

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