第17卷 第2期1998年6月
海 洋 技 术
OCEAN TECHNOLOGY
Vol.17,No.2
June,1998
FZF2-3型海洋资料浮标传感器系统
赵 力
(山东省科学院海洋仪器仪表研究所,青岛266001)
摘 要
本文介绍了FZ F2-3型海洋资料浮标系统中各种传感器的技术性能指标、工作原理、构造特
性及在海洋浮标系统中进行海洋监测工作中的应用情况。
关键词 浮标 传感器 技术性能
海洋资料浮标系统中的各种传感器是浮标系统的主要组成部分之一,是进行各种海洋水文气象要素测量的一次代表。其性能指标的优劣直接决定着浮标系统测量数据的质量。目前,我国资料浮标系统测量所用的传感器多数是国内厂家研制生产的,只有少数传感器是进口的。各传感器的性能指标基本上能满足资料浮标的需要。在FZF2-3型海洋资料浮标系统中,主要配有风速风向、方位、气温、气压、水温、波浪等传感器。本文就这些传感器的技术性能、工作原理、构造特征以及在浮标系统中进行海洋环境监测中的应用情况作以下介绍,以期交流。
1 风速风向传感器
FZF2-3型海洋资料浮标系统中的风速风向传感器采用的是美国R.M.Young公司的05103型风速仪,它结构简单轻便、耐腐蚀、设有滑环和电刷,因而增加了可靠性。
风速传感器的四片旋桨是用聚丙烯材料制成的,直径为18cm,螺距30cm,距离常数是2.7m,旋桨的启动灵敏度是0.6m/s。旋桨转动产生的频率正比于风速的正弦交流信号。交流电压信号是由装在旋桨轴上的无极环形磁铁感应安装在主壳体内中心位置上的线圈而产生的,该线圈安装在主体的非转动部分,因而不需要滑环和电刷。尾翼的启动灵敏度是1m/s,阻尼常数是0.25,尾翼的位移是通过一个连接器传送到位于风速感应线圈下面的主壳体密封室的导电塑料电位器上,当激励电压加到电位器上时,输出信号是一个正比于方位角的模拟电压。
05103型风速仪的技术指标为:
收稿日期:1998-02-13
测量范围:风速 0～80m/s
风向 0～355°
极限值:最小启动风速 0.3m/s
风向标 0.9m /s(风速) 偏移角10°
1.3m /s (风速) 偏移角5°
信号输出:风速 磁感应交流电压,每转3个脉冲,1800r /m in ,8.8m /s
风向 直流模拟电压0～5V
电源电压:5～15V
重 量:1kg
05103型风速仪的工作原理为:
风向测量是由平衡良好的尾翼在垂直轴承上自由转动,其角位移通过一个连接器传到精密导电塑料电位器上,该电位器有355°有效功能角度。当所需的恒定的激励电压加到电位器上时,模拟输出电压正比于风向的方位角。电位器有一个5°的开区(死区),在正常情况下,电位器的开区是指向北并使之对应于输出信号的零电平。当尾翼从北按顺时针方向转动时,引起方位信号增加,直到355°的最大转动。在355°～0°之间,信号输出为“零”,这样,电位器在0～355°范围内提供最佳的线性输出。
风速测量电路是用漆包线(美国线规36#)在注塑的骨架上绕约4000圈制成。该线圈安装在主壳体内的中心位置上。安装在旋桨轴上的无极环形磁铁在线圈内产生一个交流正弦波电压,其频率为旋桨转动一周出三个周期的正弦波加之30cm 的螺距,每周正弦波信号代表10cm 的风程。
05103型风速仪是FZF2-3型海洋资料浮标系统中数个传感器中的唯一的国外进口传感器,该传感器自1996年随浮标系统投放使用以来,测得了大量的风速风向数据,特别是在1997年8月的10号台风入境时,分别在两个时次测得了35.1m /s 和33.4m /s 的风速,为有关部门提供了切实可靠的气象资料。
2 方位传感器
方位传感器选用的是中科院海洋研究所生产的YQY5-2型磁通门罗盘方位传感器,它是依据感应地球磁场来检测方向的,具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、维护方便等特点,是浮标上用来测量方位参数的首选仪器。
YQY 5-2型磁通门罗盘方位传感器的技术指标为:
测量范围:0～360°
准确度:±5°
分辨率:0.5°
工作温度:-10℃～+45℃
允许倾角:±30°
输出形式:脉冲计数
电 源:+12V DC (±20%)
耗 电:<20m A
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重 量:
450g
图1
YQY 5-2型磁通门罗盘方位传感器的基本
工作原理是依据二次谐波法磁通门磁力仪的原理
制作而成的,它是由高导磁软磁磁环、激励绕组和
测量绕组构成感应部件,通过感应地球磁水平分
量的两个正交分量来确定方向的。
测量绕组是一对在空间相互垂直的线圈,如
图1。激励绕组的作用是通过激励信号将磁环推
向深度饱和状态,据二次谐波法原理,在测量绕组
两端将产生二次谐波电压的合成矢量,其幅角与绕组相对于地球磁场的夹角相关。利用高稳定性滤波器将频率为激励信号频率的二次谐波分量检出,再通过整形、相位比较即可获得要测量的方位角。其方框图如图2
。
图2 磁通门罗盘方框图
3 温度传感器
温度传感器在气象观测等领域中是最普遍、最主要的参数之一。在FZF2-3型海洋资料浮标系统中用于温度测量的参数就有三处之多—水温、气温和舱温。我们选用了我所研制的AD590温度传感器,它采用集成温度传感器AD590K 为感应元件,配以高精度、高稳定性的放大器、设计了精确度较高的温度—电压变换器,这种变换器在很宽的温度范围内,输出的电压与被测温度始终保持很好的线性关系及极小的误差。
该温度传感器的主要技术指标如下:
测量范围:-15℃～+45℃
精确度:±0.2℃
分辨率:0.1℃
输出形式:模拟量0～5V
电源电压:±12V DC (±20%)
耗 电:<20m A AD 590温度传感器电原理图如图3所示。
其工作原理为:由基准电压源M C 1403输出标准2.5V 电压,通过R 1和RW 1加到AD 590
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图3 测温电路原理图
上,AD 590输出的电流在R 1和RW 1上产生电压降,使温度的变化在放大器的电压输入端产生电压的变化,经放大后,输出0～5V 电压信号。
由于AD 590的输出电流在一定工作条件下与绝对温度有较严格的线性特性,其非线性校正可以得到满意的效果。另外,这种电流型传感器部件最大的优势在于远距离传输中具有很强的抗干扰能力,信号衰减小,因此,在远距离高精度的温度测量等应用场合是其它热敏器件无法比拟的。
4 气压传感器
气压传感器选用了航空航天工业部太行仪表厂生产的XDY 02型振筒式气压仪。该气压仪结合微型计算机技术,将被测气压值数字显示出的一种先进的气压测量仪器,它具有测量精度高、操作简便、体积小、无汞害、耐冲击振动等优点,并可直接与计算机或其它设备联接。
XDY 02型气压仪的技术指标为:
测量范围:520～1070hPa
准确度:<0.4hPa
电源电压:AC 220V 50Hz 或DC +5V 1A
功 耗: 20W
输出形式:频率量
具有串行接口:可输出被测气压值、波特率为1200
XDY02型振筒式气压仪原理简述如下:
振筒式气压仪其振筒是一只薄壁的圆筒,当大气压力变化时,其简壁所受张力发生变化,从而产生不同的振动频率。振筒内的振荡回路是为使振筒能持续以特定方式振动而设计的,其输出一个随大气压力变化而变化的频率信号,同用AD 590温度补偿线路的补偿信号一起,送入以80C 39为主组成的微处理器进行数据处理,通过微处理的I /O 口输出串行信号,同时在仪器的面板上显示出所测气压值。
XDY02型气压仪属军工产品,它具有精确度高、稳定性好等特点。自1996年随浮标系统投放运行以来工作基本正常,为用户测得了大量的有关数据,在9710号台风入境时,分别测得了972.1hPa 和977.2hPa 的低气压,为用户分析研究海洋气象变化趋势,进行海洋环境监测41 第2期 F ZF 2-3型海洋资料浮标传感器系统
提供了可靠的信息。
5 波浪传感器
FZF 2-3型海洋资料浮标系统中的波浪传感器选用我所YLF 5-1型波高传感器。
该传感器具有技术性能稳定、精确度高、可靠性好、测量周期范围宽、抗横向干扰能力强等特点,其主要技术性能在国内外同类仪器中较为先进。
YLF5-1型波高传感器的主要技术指标:
波高测量范围:0.5～20m
波高测量准确度:±10%
周期测量范围:3～30s
周期测量准确度:±0.5s
波高分辨率: 20cm
电源电压:18V
工
作电流:<20mA 输出形式:模拟量5V ±4V
YLF5-1型波高传感器的原理框图如图4所示。它是由装有加速度计的悬浮式平台、带温度补偿模块的应变式加速度计、积分模块、
放大接口电路及电源电路等组成。
图4 波高传感器原理框图
其工作原理是:波高传感器装在测波浮体内,当浮体随波浪质点作起伏运动时,平台使得加速度计沿垂直方向运动,加速度计就会测出浮体随波面运动的垂直加速度输出一个模拟量,经放大器放大后,再经过二次积分模块变为正比于波高的电压量,通过接口电路,输出所需的波高信号。
YLF 5-1型波高传感器是我所科研人员根据浮标的使用特点在其前身的基础上研制出的换代产品,它除了保持其前身的一切优点外,还最新设计了液浮式加速度计平台,以提高加速度计抗横向干扰的能力,其独特设计的温度补偿模块,使传感器的温度特性提高了一个数量级。该波高传感器自1996年随浮标系统投放运行以来一直工作正常,特别是在1997年8月的10号台风中的两个时次中分别测得了9.9m 和9.4m 的波高,为有关部门提供了宝贵的水文资料。
一年多来,FZF2-3型海洋资料浮标系统中的传感器在使用中为国家海洋局的有关使用部门提供了大量的、真实可靠的数据,得到了用户的认可,值得一提的是,在1997年8月1日,测到1997年10号台风的全过程的资料,以及同年在8月21日观测到了1997年13号台风的过境资料。浮标系统无位移,所有传感器皆同整个浮标系统一起经过了台风的考验。42
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T he Sensor System of FZF 2-3M arine Data Buoy
Zhao Li
(Institute of Oceanograp hic instrumentation ,Shandong A cademy of Sciences )
Abstract
In this article,the technical perform ance,principle and structure of all the sensors in FZF2-3marine data buoy are given .so are the uses of these sensors in ocean monitoring .
Key Words buoy sensor
美国观测系统中的海洋观测
海洋对沿海和内陆地区的天气过程具有重要作用。但从目前的情况看,海洋观测在美国的观测系统发展战略中没有得到应有的重视。在过去的十几年中,海洋上的现场大气观测急剧减少。目前,数据浮标站计划面临显著削弱或可能取消的局面。海上现场观测的新手段仅有GPS 下投式测风探空仪系统,安装在NOAA 用于飓风研究的高空喷气式飞机上。
研究认为,为提高天气预报水平,需要加强热带和温带气旋与海洋表面的相互作用的观测和研究,包括飓风活动区域的海洋观测、出现在飓风中心附近的边界层和强温带气旋中的详细过程及浪花层的观测以及海流的观测。主要的海洋观测项目是:海面温度,温跃层深度,海波谱,以及海冰的覆盖范围和厚度。
许多观测技术和平台可用于这些项目的观测,但这些观测系统均未列入NWS 现代化计划。系留浮标可提供风、气温和水温、气压、海流、海波谱、下降流及太阳辐射等观测数据。在海上油、气平台安装这些仪器,可获取与浮标类似的观测资料,同时可得到更多的大气和海洋温度廓线等观测资料。U HF 风廓线仪可从油气平台、船舶和浮标等不同海洋平台上提供对流层低层的廓线探测资料。深温仪用于测定作为压力函数的温度,且可安置在船舶上。研究飞机可装载一次性深温仪、声学多普勒海流廓线仪以及浮标等现代化仪器。志愿船舶观测计划可提供重要区域既宝贵又经济的实时海气基本观测资料。海浪资料主要来源于:ERS-I 卫星和Radarsat 卫星上的合成孔径雷达,ERS-I 和T OPEX 上的测高仪,以及ERS-I 上的散射仪。1996年,NWS 在西海岸实施的实验计划施放了100个漂流浮标,以获取海上300英里范围内的海面温度、气压和表层流等实时观测资料。
在卫星获取海洋观测资料的评价问题上。尚有不同的认识。但是,专家们对卫星在获取海气表面特征(海面风向风速、海流、温度和应力等)观测资料方面的能力给予一致的肯定,并强调要进一步得到改善。
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