单温度传感器CTD资料处理研究
温度传感器的设计与研究
温度传感器的设计与研究温度传感器的设计与研究引言：随着科技的飞速发展，温度传感器在日常生活以及工业领域扮演着越来越重要的角色。
温度传感器是一种用来测量环境温度的设备，其设计和研究对于准确监测和控制温度具有至关重要的意义。
本文将介绍温度传感器的基本原理、常见设计和研究方法，并探讨其在不同领域中的应用。
一、温度传感器的基本原理1.1 热敏电阻（RTD）传感器热敏电阻利用材料的电阻随温度的变化而变化的特性进行温度的测量。
常见的材料有铂、镍等，其电阻随温度的变化呈现出一定的线性规律。
通过测量电阻的变化，便能够得知环境温度。
1.2 热电偶传感器热电偶是利用两种不同金属的热电效应原理来测量温度的传感器。
原理是两种金属在不同温度下形成电势差，利用该电势差可以计算出温度差，从而测量温度。
热电偶具有较高的测量精度和较广的测量范围，而且具有抗干扰能力强等特点，在工业领域得到广泛应用。
1.3 半导体温度传感器半导体温度传感器是利用半导体材料的电阻、电压或电流随温度的变化而变化来测量温度的传感器。
由于半导体材料的导电性与温度呈线性关系，因此可以利用半导体温度传感器来进行温度的测量。
二、温度传感器的设计与研究方法2.1 传感元件的选择在温度传感器的设计与研究中，首先需要选择适合的传感元件。
根据实际应用需求和测量范围等因素，选择合适的传感元件，如热敏电阻、热电偶或半导体温度传感器。
2.2 电路设计温度传感器常常需要与电路进行配合使用，因此需要进行电路设计。
电路设计的目的是将传感元件的输出信号转化为可读取和处理的电压或电流信号。
根据传感元件的特性和具体要求，设计相应的放大、滤波和线性化电路等，以确保测量结果的准确性和稳定性。
2.3 系统校准在温度传感器的设计和研究中，系统校准是不可或缺的步骤。
校准的目的是消除传感器本身和测量系统的误差，提高测量的准确性和可靠性。
常见的校准方法包括通过比较标准温度传感器进行修正、使用温度标准设备进行校准和定期检验等。
FD-WTC-D温度传感器特性综合实验仪说明书
FD-WTC-D型恒温控制温度传感器实验仪说明书上海复旦天欣科教仪器有限公司中国上海FD-WTC-D型恒温控制温度传感器实验仪一．概述温度传感器的特性测量和定标是大学普通物理热学实验和电磁学实验中的一个基本内容，是新的全国理工科物理实验教学大纲中一个重要实验。
为开设好此实验，由复旦大学物理实验教学中心和上海复旦天欣科教仪器有限公司协作，联合研制了采用DS18B20单线数字温度传感器为测量元件的新一代恒温控制仪。
新仪器与同类其它仪器相比，有以下四个优点：1)传感器体积小;2)控温精度高;3)无污染及噪声(无水银污染且不用继电器);4)设定温度和测量温度均用数字显示。
本实验仪器可用于各种温度传感器的特性测量和各种材料的电阻与温度关系特性测量实验，本仪器也可用于物理化学实验做恒温仪用，它是理工科大学普通物理实验必备重要实验装置之一。
二．用途1.电流型集成温度传感器AD590的特性测量和应用:(1)测量AD590输出电流和温度的关系，计算传感器灵敏度及C 0时传感器输出电流值。
(2)用AD590传感器,电阻箱,数字电压表和直流电源等设计并安装数字式摄氏温度计。
(3)测量集成温度传感器AD590在某恒定温度时的伏安特性曲线，求出AD590线性使用范围的最小电压U。
r2.测量半导体热敏电阻阻值与温度的关系，求该半导体热敏电阻的经验公式。
3.热电阻等温度传感器的特性测量。
（PN结或热电阻用户自备）三．仪器组成与技术指标1.仪器组成如图1所示，本机为有单片控制的智能式数字恒温控制仪、量程为0－19.999V四位半数字电压表、直流1.5V-12V稳压输出电源、可调式磁性搅拌器以及2000ml烧杯、加热器、玻璃管（内放变压器油和被测集成温度传感器）等组成。
图12.技术指标：A.温控仪(1)温度计显示工作温度：0℃－100℃(2)恒温控制温度：室温－80o C(3)控制恒温显示分辨精度：≤±0.1℃B.直流数字电压表(1)量程：0－19.999V(2)读数准确度：量程0.03%±5个字(3)输出电阻：20Ω(为了防止长时间短路内接电阻)C.温度传感器DS18B20的结构与技术特性（控温及测温用）：(1)温度测量范围：-55℃－125℃(2)测温分辨率：0.0625℃(3)引脚排列(如图2所示)：1（GND）：地2（DQ）：单线运用的数据输入输出引脚3（VDD）：可选的电源引脚图2(4)封装形式：TO-92详细应用请参阅相关资料D.待测温度传感器AD590技术特性：(1)工作温度：—55℃—150℃(2)工作电压：4.5V—24V(3)灵敏度：1μA/℃，线性元件(4)0℃时输出电流约273μAE.加热器：(1)工作电压：交流10V—150V(2)工作电流：交流最大1.5A四.仪器使用方法1.使用前将电位器调节旋钮逆时针方向旋到底，把接有DS18B20传感器接线端插头插在后面的插座上，DS18B20测温端放入注有少量油的玻璃管内(直径16mm)；在2000ml 大烧杯内注入1600ml的净水，放入搅拌器和加热器后盖上铝盖并固定。
关于温度传感器的文献综述
温度传感器简单概述摘要温度是表征物体冷热程度的物理量。
在工农业生产和日常生活中，对温度的测量始终占据着重要的地位。
温度传感器应用范围之广，使用数量之大，也高居各类传感器之首。
且它的发展大致经历了传统的分立式温度传感器，模拟集成温度传感器/控制器，智能温度传感器这三个阶段。
目前，温度传感器正向着单片集成化、智能化、网络化和单片系统化的方向发展。
关键词温度温度传感器传感器智能化目录摘要 (I)目录 (I)1前言 (1)2 传感器的介绍 (2)2.1传感器的概念 (2)2.2传感器的分类 (2)3 温度传感器的发展阶段 (3)3.1分立式温度传感器 (3)3.2模拟集成温度传感器 (3)3.3模拟集成温度控制器 (4)3.4智能温度传感器 (4)4 温度传感器的发展趋势 (5)5 结语 (7)参考文献 (8)1 前言蔬菜的生长与温度息息相关，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温度控制。
温度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。
如果仅靠人工控制既费时费力, 效率低，又容易发生差错，为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温度自动控制系统，来监控采集大棚内各个角落的温度变化情况，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。
要时刻对蔬菜大棚的温度进行测量，就离不开温度传感器。
在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。
国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5 ～0.0625℃。
由美国DALLAS半导体公司新研制的 DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。
为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。
进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
CTD
CTD技术1．CTD测量技术1.1 CTD测量技术简介K=K（R）对于海水CTD参数的测量，可以归结到一种物理量的测量。
例如，由传感器测量响应的电阻的变化来完成。
简而言之，电导率C与一定海水水柱的电阻有关（C=K），可以通过流过电导池的海水的电阻随海洋环境（海水的温度、压力和盐度）的变化来提取。
温度的变化通过热敏电阻反映海水的温度T（K=T）。
而深度D一般通过压力测量，根据数学关系进行计算。
而压力P（K=P）的测量采用应变式硅阻随深度变化取得。
实际上传感器感应的海水CTD参数，通过转换电路的输出为电信号。
一般说来传输特性为一高次多项式。
为取得传感器的定标方程，要求严格的试验程序：第一，需要足够精度的测试设备。
第二，权威的计量标准。
第三，根据传感器与定标设备，设计测量方案，制定操作步骤，测量取数。
第四，进行符合传感器物理特性的定标方程的拟合。
―九五‖―863‖高精度CTD剖面仪的定标水槽，采用直850mm，深度1300mm，控温精度十万分之一度（0.000001°C），水平温场和垂直温场不均匀度均达到0.0003°C。
利用精度为0.001°C的基准铂电阻温度计，由F18电桥测温，由水三相点和镓熔点的温度校准。
使用8400B实验室盐度计来测量盐度，由国际一级标准海水校验。
利用十万分之五的活塞度压力计对于压力传感器进行测压。
根据传感器研制测试经验，设计了定标试验的操作步骤。
取得高精度CTD剖面仪传感器的定标方程。
下面给出了高精度CTD剖面仪的传感器定标方程。
1.22 CTD 测量技术研究CTD剖面仪研制是CTD 测量技术核心。
研制过程大致分为如下几步：传感器研制，系统安装，信号采集，数据处理。
第一传感器研制为关键。
概括分为几个过程：敏感元件研制，转换电路研制和测试定标设计实施。
首先，制作敏感元件包括生产、测试与开发应用研究。
设计技术指标，优化结构，选择材料，制定工艺和测试方法。
一种基于DS18B20的单点测温方法的研究
一种基于DS18B20的单点测温方法的研究摘要DS18B20为一线式数字温度传感器，具有耐磨耐碰、体积小、使用方便、封装形式多样、适用于各种狭小空间的特点。
用于温度检测系统可实现温度的自动检测与转换，使系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。
关键词温度测量；DS18B20；传感器0 引言与传统的温度传感器相比，DS18B20数字式温度传感器能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，读出或写入信息仅需要一根口线进行，其电源可以从外部3V~5.5V的电压得到。
总线本身也可以向其供电，而无需额外电源。
因而可使系统结构更趋简单，可靠性更高。
1 DS18B20的初始化对DS18B20进行初始化需遵循以下步骤：先将数据线置高电平“1”→延时（短时延时）→数据线拉到低电平“0”→延时480μs~960μs→数据线拉到高电平“1” →延时等待（如果初始化成功则在15ms~60ms时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”→但是应注意不能无限的进行等待，否则会使程序进入死循环）→若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要延时，延时的时间从发出的高电平算起（第5步算起）最少要480μs→将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。
程序如下：DATA=1; //将数据线置高电平“1”DELAY（2）; //稍做延时DATA=0; //数据线拉到低电平“0”DELAY（750）; //延时480到960微秒DATA=1; //数据线拉到高电平“1”DELAY（60）; //延时等待i=DATA; //稍做延时后如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”DELAY（480）; //若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时2 DS18B20的读、写操作1）读操作过程：将数据线拉高“1”→延时2μs→将数据线拉低“0”→延时15μs→将数据线拉高“1”→延时15μs→读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理→延时30μs。
面向海洋应用的光纤光栅温度传感器在国内外的研究进展
面向海洋应用的光纤光栅温度传感器在国内外的研究进展1引言传统测温的电学传感器主要有热电偶式、金属电阻式和半导体热敏电阻式等。
热电偶式复制性和稳定性较好，通过采用薄膜式结构可使其热惯性较小，但灵敏度较低。
金属电阻式具有较好的灵敏度、稳定性和复制性，曾是当时海洋探测领域使用比较广泛的传感器。
但因金属电阻值较低，检测系统的导线阻值变化就不能忽略，如铂测温电阻，1Ω的导线电阻将会产生－2.5℃的测量误差，必须采取相关措施进行补偿以抵消此误差。
由于海洋中特殊的水团环境，如不同水层存在温度梯度等因素，若使用投弃式探测器进行海水剖面温度测量时，这就要求传感器的时间常数足够小。
但研究证明，铂电阻测温传感器的响应时间是十几秒，时间常数不理想，同样不是进行海洋测温的理想选择。
半导体热敏电阻式的灵敏度很高，热惯性也较小，但其稳定性和复制性较差。
热敏电阻的响应时间虽然可以达到毫秒级别，但是研究证明其在测试过程中通过的电流很难控制并且经常会很大，同样也会带来测量误差。
综上所述，传统海洋温度传感器大都采用铂电阻或热敏电阻，优点是稳定性、可靠性较好，精度也较高，虽然技术成熟度很高，但仍有一些问题需要解决: 如恶劣的海洋环境对电学传感器的耐压、耐腐蚀性及防水要求很高，水下传输信号易受干扰等，同时其也存在研发投入成本高、寿命短、复用组网难等问题，光纤布拉格光栅(FBG)传感器则可以使这些问题迎刃而解，其在海洋监测中也表现出极大的优势，如本征绝缘、成本低廉、易组网、原位实时测量、湿端无电且无功耗，国内外也已开展关于此领域的大量研究工作。
2光纤光栅温度传感原理光纤Bragg光栅是一种将周期性微扰作用于光纤纤芯，使其折射率发生轴向周期性调制而形成的光纤无源器件，其本质上一种具有波长选择能力的窄带反射器，结构如图1所示。
利用光纤光栅对于温度和应变敏感的这两种效应，可以检测多种物理量。
由于裸光纤光栅直径只有125μm，在恶劣的海洋环境中容易受到损伤，只有对其进行保护性的封装设计，才能保证光纤光栅具有更稳定的性能，进而延长其使用寿命。
温度传感器特性的研究实验报告
温度传感器特性的研究实验报告温度传感器特性研究实验报告一、实验目的本实验旨在研究温度传感器的特性，包括其灵敏度、线性度、迟滞性以及重复性等，通过对实验数据的分析，以期提高温度传感器的性能并为相关应用提供理论支持。
二、实验原理温度传感器是一种将温度变化转化为电信号的装置，其特性受到材料、结构及环境因素的影响。
本次实验将重点研究以下特性：1.灵敏度：温度传感器对温度变化的响应程度；2.线性度：温度传感器输出信号与温度变化之间的线性关系；3.迟滞性：温度传感器在升温与降温过程中，输出信号与输入温度变化之间的关系；4.重复性：温度传感器在多次重复测量同一温度时，输出信号的稳定性。
三、实验步骤1.准备材料与设备：包括温度传感器、恒温水槽、加热装置、数据采集器、测温仪等；2.将温度传感器置于恒温水槽中，连接数据采集器与测温仪；3.对温度传感器进行升温、降温操作，并记录每个过程中的输出信号；4.在不同温度下重复上述操作，收集足够的数据；5.对实验数据进行整理与分析。
四、实验结果及数据分析1.灵敏度：通过对比不同温度下的输出信号，发现随着温度的升高，输出信号逐渐增大，灵敏度整体呈上升趋势。
这表明该温度传感器具有良好的线性关系。
2.线性度：通过对实验数据的线性拟合，得到输出信号与温度之间的线性关系式。
结果表明，在实验温度范围内，输出信号与温度变化之间具有较好的线性关系。
3.迟滞性：在升温与降温过程中，发现输出信号的变化存在一定的差异。
升温过程中，输出信号随着温度的升高而逐渐增大；而在降温过程中，输出信号却不能完全恢复到初始值。
这表明该温度传感器具有一定的迟滞性。
4.重复性：通过对同一温度下的多次测量，发现输出信号具有良好的重复性。
这表明该温度传感器在重复测量同一温度时具有较高的稳定性。
五、结论与建议本次实验研究了温度传感器的特性，发现该传感器具有良好的灵敏度和线性度，但在降温过程中存在一定的迟滞性。
此外，该温度传感器具有良好的重复性。
单总线数字温湿度传感器在监测系统中的应用的开题报告
单总线数字温湿度传感器在监测系统中的应用的开题报告
一、研究背景
温度和湿度是影响人们生活和工作环境舒适度的两个基本因素，因此，它们的测量和监测在各种场合中都非常重要。
近年来，随着数字化技术的快速发展，数字化温湿度传感器作为一种新型测量仪器，在各行各业得到了广泛的应用。
单总线数字温湿度传感器是一种应用于监测系统的数字式温湿度传感器，具有精度高、成本低、易安装、易使用等优点，被广泛应用于工业自动化、物流监测、建筑物环境监测、农业生产等领域。
二、研究目的
本文旨在通过对单总线数字温湿度传感器在监测系统中的应用进行研究，了解单总线数字温湿度传感器的原理和性能，并探究它在实际应用中的优缺点和适用范围，为其在实际应用中的推广和应用提供参考。
三、研究内容
（1）单总线数字温湿度传感器的原理和性能分析，包括传感器的结构、工作原理、输出信号、精度等性能指标。
（2）单总线数字温湿度传感器在监测系统中的应用研究，包括监测系统的建立、单总线数字温湿度传感器的布置、数据采集、传输和处理等环节。
（3）对单总线数字温湿度传感器在实际应用中存在的问题和局限性进行分析，并提出相应的解决方案。
四、研究意义
通过本研究，可以深入了解单总线数字温湿度传感器的原理和性能，并探究其在实际应用中的适用范围和优缺点，从而为监测系统的选择和搭建提供参考，提升监测系统的稳定性和准确性。
同时，本研究对单总线数字温湿度传感器的应用和发展也有一定的促进作用。
Argo浮标CTD温度传感器实验室中测试评估方法
Argo浮标CTD温度传感器实验室中测试评估方法
车亚辰;程敏;邹强
【期刊名称】《海洋技术》
【年(卷),期】2016(035)003
【摘要】文中主要研究Argo用CTD在实验室内进行海洋工作状态的模拟.由于Argo用CTD温度传感器布放在深海区域,在高压低温的状态下,在剖面测量中曾经出现低温温度跃迁的现象,因此在CTD实验室对其温度性能测试评估方法加以改进.具体方法如下:先以常规测试评估方法检验,将已经确定达到指标要求温度传感器在压力罐内反复加压、保压、泄压,对其进行长期温度性能测试.根据实验数据总结出Argo浮标用CTD温度传感器的海洋环境温度测量特性及具体测试评估方法,使实验室温度测试水平得到提升.
【总页数】4页(P78-81)
【作者】车亚辰;程敏;邹强
【作者单位】国家海洋技术中心,天津300112;国家海洋技术中心,天津300112;国家海洋技术中心,天津300112
【正文语种】中文
【中图分类】P715.2
【相关文献】
1.Argos海洋浮标多普勒定位原理与方法 [J], 宋叶志;胡小工;黄勇;茅永兴
2.Argo浮标CTD温度传感器实验室中测试评估方法 [J], 车亚辰;程敏;邹强;
3.使用Argos卫星系统对Argo浮标进行定位和数据传输 [J], 商红梅
4.HM2000型Argo浮标浮力调节机构测试平台设计 [J], 沈锐
5.基于ARGOS通信技术的海冰浮标低功耗系统设计 [J], 沈璐;谢晖;陈相全;董永军
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CTD操作手册
Sea-Bird 911 plus CTD温盐深探测系统技术手册东方红2号船实验室2003年7月第一部分系统简介Sea-Bird 911 plus CTD温盐深探测系统是由美国Sea-Bird公司生产的，目前世界上最先进的海洋水文调查仪器之一。
本系统包括水下单元（SBE 9plus）、甲板单元（SBE 11plus）和采水系统（CAROUSEL WATER SAMPLER）三部分。
水下单元由铠装电缆与甲板单元相连，并通过装有Sea-Bird公司提供的CTD数据采集软件的计算机，对整套系统进行设置和操作，所采集的数据实时显示在计算机屏幕上，并实时进行纪录。
具体技术指标如下：一、水下单元（SBE 9plus）SBE 9plus为Sea-Bird 911 plus CTD系统的水下单元，可与SBE 11plus组成SBE 911plus CTD直读式CTD。
也可与SBE 17plus V2 SEARAM组成SBE 917plus CTD自容式CTD。
主机采用模块化设计，易于更换及维护。
SBE 9plus共提供5路频率输入，压力传感器1路，温度和电导传感器各2路。
另外还为附加传感器提供了8路扩展电压信号输入。
1、温度传感器此传感器采用压力保护（pressure-protected）高速(high-speed)热敏电阻，电路部分采用Wein bridge oscillator电路。
Wein bridge oscillator电路中热敏电阻为感应部分，其余由一个高精度电阻和两个有极性电容，另外还有一个晶振组成。
此电路区别与一般电桥的地方就是多了一个晶振。
晶振的特性是它会根据不同的输入电压输出不同频率的电信号而且质量好的晶振精度很高。
从这个意义上讲它使传感器的精度更高。
环境温度变化可引起热敏电阻阻值变化，因此引起电压及晶振输出频率的变化，通过温度、阻值、电压和频率之间的一一对应关系在经过简单的运算即可得出对应的温度值。
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第29卷第1期2009年1月海 洋 测 绘H YD RO GRA PH IC SU RV EY I N G AND CHA R T IGV ol 129,N o 11Jan .,2009收稿日期:2008208228;修回日期:2008210228作者简介:汪 洋(19832),男,新疆阿克苏人,硕士研究生,主要从事海洋调查资料处理及分析研究。
单温度传感器CTD 资料处理研究汪 洋1,2,李占桥2,李 洋3,袁延茂2(11解放军理工大学气象学院,江苏南京 211101;21海军海洋测绘研究所,天津 300061;3161741部队,北京 100081) 摘要:简要介绍了温盐深测量仪(CT D )原始数据预处理的步骤,分析了处理过程中盐度计算误差产生的原因,并重点讨论了以MARKIIIB 型为代表的单温度传感器CT D 的传感器滞后订正问题,针对传统方法存在的缺陷,引入了新的订正方法,在实际处理中取得了较为理想的效果。
关键词:温盐深测量仪;预处理;传感器滞后订正;高通滤波中图分类号:P714+11 文献标识码:B 文章编号:167123044(2009)01200622041 引 言温盐观测是海洋调查的重要内容,获取高质量、高密度的温盐资料一直是海洋学家努力追求的目标。
海上投放使用的温盐观测仪器,经过长期的发展,原来的颠倒采水器已经完全被各种类型的温盐深测量仪(CT D )等电子设备所取代[1],观测精度及采样率也在不断提高。
目前在国内服务于海洋调查的温盐测量仪器包括MARKIII CT D 、S BE CT D 、XCT D (BT )等。
由于受到仪器本身观测原理以及操作使用等原因的影响,温盐观测资料往往存在不同原因产生的误差,必须经过预处理才能进一步得到应用,面对日益高精尖的观测仪器,如果缺乏必要的正确的处理过程,高精度的设备同样得不到高质量的资料[2]。
温盐资料处理是海洋工作者长期研究的课题。
近来,作者在采用传统方法处理一批中国浅海的MARKIIIB 型单温度传感器CT D 资料时发现,在消除传感器滞后问题上总是得不到理想的效果。
针对这种情况,结合温度与电导率剖面结构的特点,作者作了一些探索性分析,引入了新的订正方法,取得了较为理想的订正效果。
2 温盐资料处理步骤及误差产生的原因211 温盐资料处理步骤CT D 主要装配有三个传感器:电导率、温度和压力传感器,传感器在升降过程中不断将观测到的海水物理量以电信号形式记录得到数据文件。
资料处理工作主要包括以下步骤。
(1)数据转换:将传感器电信号数据转换为真实的电导率、温度、压力等海水物理量。
(2)压力零点订正:由于受条件环境的限制,压力数据往往存在系统误差,可通过一定的方法[3,4]计算并进行订正。
(3)剔除异常数据:对超出气候变化以及不合理的突变数据进行判别并剔除。
(4)传感器滞后订正:由于温度、电导率传感器感应时间不同,在计算盐度、密度等要素时会造成数据误差,需要进行传感器感应时间匹配订正。
(5)衍生要素计算:由CT D 可直接得到的是电导率、温度和压力,在实际应用中需要使用这三个参量,根据实验室经验公式[5]计算得到盐度、密度、声速等海洋要素。
212 盐度计算误差产生的原因CT D 资料的误差包括压力系统误差、异常数据误差、盐度(密度)计算误差等。
这些误差前人都作过一些研究,也提出了一些实际处理的方法,其中压力误差及异常数据误差的处理已经得到了较好的解决。
由于在实际数据应用中的盐度是使用电导率、温度和压力计算得到的,密度和声速又是使用盐度、温度和压力计算得到的,所以盐度的计算在CT D 资料处理中显得尤为重要。
造成盐度计算误差的主要原因是传感器感应时间(滞后)不同,传感器的滞后订正是笔者在实际资料处理中遇到的主要问题。
(1)传感器的感应时间:传感器的感应数据随着环境的变化而变化,而传感器的感应不可能无限快,总是需要一定的时间。
传感器对环境中阶跃变化的响应通常称为时间常数,它一般定量为对于给第1期汪 洋,等 单温度传感器CT D 资料处理研究定的阶跃变化其响应达到最终值的63%时所用的时间。
不同的传感器的感应时间往往存在较大差别(图1)。
MARKIIIB 型CT D 装配有三个传感器:铂电阻温度传感器、电导率传感器以及压力传感器。
铂电阻温度传感器感应时间较长,一般为几百毫秒;电导率传感器通过感应电导池内的海水来测量海水电导率,它具有很快的感应速度(约30m s ),但是电导率传感器对使用环境的要求较为苛刻,海水通过样品池的流速,海水温度和样品池的热容量都会对电导率的感应数据造成影响。
压力传感器有两种类型:弹性应变式和数字石英压力传感器,压力传感器都具有很快的感应速度,在实际观测时海水压力不会产生阶跃性的环境变化,一般认为压力传感器的时间常数并不重要。
图1 响应时间不同的传感器对阶跃性变化的响应(2)由于传感器滞后造成的误差:现在使用的CT D 无论是温度还是电导率传感器都具有较高的精度,如果海洋环境中的温度和电导率变化很小,计算得到的盐度、密度、声速等数据误差就会很小。
但是当温度和电导率随深度变化较大时,由于感应时间常数不同,用于计算盐度的同一时刻的温度和电导率实际上并不是海洋中同一位置上的温度和电导率,这造成计算盐度时存在较大误差,具体表现为CT D 下降剖面和上升剖面的盐度值差别很大,存在异常的盐度尖峰。
3 传感器滞后订正的解决方法及效果检验311 真实海洋环境中的温度电导率结构作者在处理工作中共对300多个测站的MARKIIIB 型CT D 剖面资料进行了处理,资料剖面的深度一般都在50m 以内,剖面结构符合典型的中国北方浅海水文结构特点,时间跨度从春季过渡到夏季,温盐垂直结构从较为均匀状态过渡到强跃层状态。
在春季剖面上,最大温差小于2℃,电导率差小于2mS/c m ,随着从春到夏的不断过渡,出现了越来越强的温盐跃层,呈现出典型的温度和电导率阶跃性结构,如图2所示,在5～15dBar 压力范围内,温度变化达到了14℃,电导率变化达到了1016m s/c m 。
由于传感器滞后的影响使得上升及下降过程的盐度值存在较大的偏离,最大差值达到0174以上,与真实的海洋结构差别较大。
图2 实测站夏季温度、电导率阶跃性垂直结构图312 使用传统滞后订正方法的尝试常用滞后处理方法可分为两大类,一类是缩短滞后时间常数法,另一类是加长滞后时间常数法。
缩短滞后时间常数就是订正温度记录,使它与电导率记录相匹配。
加长滞后时间常数法是调整快速响应参数,使温度和电导率数据的响应全都相等,并且等于最慢的传感器参数。
S 法[4]和F 法[4]都是较常用的缩短滞后时间常数法。
递归数字滤波法、指数滞后响应法、Gr 法[4]是几种较常用的加长滞后时间法。
指数递归数字滤波法[6]还是联合国教科文组织发表的技术报告推荐的方法。
在这几种方法中,S 法使用于早期取样间隔大于时间常数的情况,现在已经不再使用,其他几种方法能在一定程度上减弱温度、电导率不匹配带来的虚假盐峰,但结果都并不理想。
作者使用了各种传统的滞后订正方法对MARKIIIB CT D 资料进行处理,但是效果始终不够理想,盐度尖峰并没有得到有效的抑制。
究其原因,是由于电导率传感器受到仪器的下放速度等各种环境因素的影响,传统订正方法的表达式都没有能够对温度与电导率的感应关系进行准确的表达,最终导致了订正效果的不理想。
313 实际解决方法(1)虚拟快速温度的引入在另一种温盐观测仪器MARKIII C CT D 中,装配有两个温度传感器,一个精度高感应慢的铂电阻36海 洋 测 绘第29卷温度传感器和一个精度相对较低但感应时间短的热敏电阻温度传感器,热敏电阻与电导率的感应时间基本相当。
它使用高通滤波的方法从热敏电阻测量的温度值上提取高频变化修正到铂电阻测量的温度值上,从而进行滞后订正。
这种方法综合了铂电阻温度的高精度和热敏电阻的快速感应,取得了较好的订正效果。
对比MARKIII C CT D,MARKIII B CT D 只有一个铂电阻温度传感器,无法直接应用高通滤波的方法进行滞后订正。
笔者针对这个问题进行了分析。
根据文献[7]介绍,在不同盐度下,海水电导率都几乎随温度呈线性地变化。
图3显示了不同盐度下温度和电导率的这种线性关系。
图3 不同盐度时,海水电导率随温度的变化图根据这个原理,我们利用CT D 剖面数据可以得到三个前提条件:①使用铂电阻传感器观测得到温度的取值范围;②电导率变化曲线;③温度和电导率的线性关系。
这样使用线性关系式就可以计算得到与电导率变化一致的新温度曲线,我们将其称为虚拟快速温度曲线。
图4是利用电导率变化得到的温度与直接观测得到温度的比较,二者数值非常接近,如果将二者画在同一幅图上,几乎是重合的。
为了慎重起见,我们对所有300个测站的虚拟快速温度与铂电阻温度进行比较,得到了非常一致的结果。
(2)高通滤波在得到虚拟快速温度后,使用MARKIII C CT D 的高通滤波方法对铂电阻温度进行订正。
此方法可用下式表示为:Y (t )=HPτlagX (t )=X (t -Δt )-X (t )ω0+Y (t -Δt )ω0式中,Y (t )、Y (t -Δt )分别为滤波后温度的当前值和前一值;X (t )、X (t -Δt )分别为快速温度的当前值和前一值;ω0=e -Δt/τ;Δt 为CTD 的采样周期;τ为滞后订正时间常数,同一类型的不同的传感器感应时间也具有一定的差别,滞后订正时间的取值可以通过软件测试进行确定。
图4 虚拟快速温度曲线与铂电阻温度曲线对比图314 滞后订正的效果检验通常认为好的滞后订正方法要满足以下条件:①上升下降过程盐度曲线趋于一致;②对温度、电导率只作较小的修正;③尽量抑制虚假的盐度尖峰。
使用前文的方法,作者对300多个测站的MARKIIIB CT D 观测数据进行了滞后订正,并逐个进行了效果检验,都取得了较为理想的效果。
图5分别给出了测站中温度、电导率梯度较小(A )和较大(B )的两个站的盐度值采用指数递归数字滤波法和新方法订正前后的比较,从图中不难看出,采用指数法处理后有一定效果,但仍存有较明显的盐度尖峰,而采用新方法后,在只对温度、电导率作较小修正的基础上,虚假盐峰基本得到消除,特别是温度、电导率梯度较大站,效果尤其明显。
表1亦列出了盐度尖峰较大处新方法订正前后盐度差的明显变化,最大处达到了01566之多。
46第1期汪 洋,等 单温度传感器CT D资料处理研究图5 温度、电导率梯度较小(A)、较大(B)站指数递归法、新方法订正前后盐度剖面对比图表1某站点盐度尖峰较大处新方法订正前后1m间隔盐度差层深(m)新方法滞后订正后新方法滞后订正前40100301013 50101201074 60105901079 70105501116 80102001185 90107601240 100112201156 110108601443 120117001736 130111201638 140100601014 1501002010054 结束语本文结合MARKIIIB CT D温盐数据处理实践,针对传统方法滞后订正存在的问题,根据温度、电导率之间的近似线性关系,虚拟了快速温度曲线,进而使用高通滤波方法进行滞后订正,取得了较为理想的效果。