海洋电导率传感器动态标定方法研究_王朋朋.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源:军队重点项目(参信 号)收稿日期:修改日期:,(,;,):,:;:;:海洋电导率传感器动态标定方法研究王朋朋,杨 健,赵士伟,李 镇(中国人民解放军 部队,山东 烟台;中国人民解放军 部队,山东 烟台)摘 要:针对海洋电导率传感器动态响应特性测试需求,使用水文传感器时间常数测量装置对典型海洋电导率传感器进行了测试。通过实验,分析得到时间常数特性,总结提出动态标定方法,并全面准确地进行了测量不确定度评定。结果表明:时间常数与电导率阶跃大小无关,与运动速度符合特定函数关系,因此可以选择比较稳定的 中的任一点作为电导率阶跃标定点,用运动速度与
2、时间常数的函数关系作为动态标定结果;各速度点时间常数测量结果的相对扩展不确定度优于,小于其最大允许误差。关键词:海洋电导率传感器;动态标定方法;时间常数;测量不确定度中图分类号:文献标识码:文章编号:()随着海洋强国战略的稳步推进,大批水文测量装备用于海洋水文、陆地水文等环境的信息保障。海上测量过程成本巨大、不可重复性高,如果不能获取可靠的现场数据将会造成很难挽回的损失,因此保证测量数据的准确性非常重要。目前国内对海洋电导率传感器静态特性的检定、校准、测试能力比较成熟,已形成相关的行业标准或检定规程,但尚不具备对其动态标定的能力,没有相关的检测和测试方法及标准,对测量仪器的测量性能很难做出全面
3、、正确的评估。动态标定主要研究传感器的动态响应特性,时间常数作为海洋电导率传感器动态标定的主要参数,它是指传感器输出量上升到稳态值的 所用的时间。目前国内对电导率传感器的动态特性研究基本空白,国外对温盐传感器动态特性的研究则起步较早,等早在二十世纪八十年代已经开展对海鸟温盐传感器动态特性的研究,提出了适用水流环境下动态校准的方法,后续很多学者开展不同使用环境下温度传感器的动态特性及测量不确定度研究。近年来国内对温度传感器的动态性能已有不少研究,目前国内温度传感器采用示波器和直流稳压电源进行时间常数出厂测试,廖和琴等研发设计了时间常数测量装置,对 型高精度温度传感器的动态特性进行测试,测试结果与
4、国际公开文献研究结论一致,刘波、王崇愿等对水流环境下温度传感器动态响应特性的影响因素及测量不确定度进行了研究,北京长城计量测试技术研究所廖理介绍了温度传感器动态传 感 技 术 学 报第 卷响应校准工作的基本原理、方法,理论分析了不确定度来源,很多学者对热电偶和热电阻等接触式温度传感器的动态特性及模型不确定度进行了针对性研究。综上所述,目前国内针对海洋环境下高精度海洋电导率传感器动态标定方法的研究较少,特别是随着拖曳式、投弃式、潜用式等快速运动载体在海洋中越来越广泛的应用,迫切需要建立科学的测试和评估方法,对海洋电导率传感器的动态性能进行检测。本文使用水文传感器时间常数测量装置,构建海洋环境仿真
5、平台,选取典型的海洋电导率传感器进行测试,分析时间常数特性,从而得出动态标定方法,并进行了时间常数的测量不确定度评定,确保动态标定结果的准确性。海洋电导率传感器动态标定装置水文传感器时间常数测量装置(如图 所示)由海水水槽(区和 区)、运动闸门、运动系统、防碰撞系统、加热系统、制冷系统和高速数据采集系统等组成。加热器、制冷管 和搅拌器 等装置精细化控温,使 区和 区水槽电导率达到 的均匀性和波动性;传送带、齿轮 和电机 等为闸门的开启、关闭、拖体 运动、停止等服务;被测传感器固定在拖体 上,能够达到 运动速度,高速数据采集系统采样频率可达到 ,以实现拖体穿越电导率跃层时测量数据的采集,从而计算
6、出时间常数。本装置电导率时间常数的测量范围为 ,最大允许误差为。由于海洋电导率传感器的响应速度很快,要测得阶跃过程需要高速采样速率,直接采集电导率值无法达到要求,而高速 转换技术可以实现高采样速率,因此本装置用电压量表征电导率信号。图 水文传感器时间常数测量装置结构示意图 典型海洋电导率传感器时间常数特性研究 电导率传感器选取国内外广泛使用的两个不同厂家生产的海洋电导率传感器,输出物理量均为频率量,技术指标见表。表 被测海洋电导率传感器技术指标指标名称技术指标被测传感器被测传感器测量范围()初始精度()响应时间(带泵,流速 条件)测试方案 测试点选取速度测试点为 、,速度测试点最大允许误差为
7、。负电导率阶跃环境下,电导率阶跃测试点为 内,间隔 进行测量,电导率阶跃测试点最大允许误差为 。测试步骤测试前被测电导率传感器均经过静态检测。分别向 区和 区加入适量氯化钠,控制 区和 区电导率环境达到阶跃测试点,设置拖体运动速度,待阶跃环境稳定后,启动拖体从 区运动到 区,完成一次测量。每个测试点至少测量 次,确保 次的测量值与 次的测量算术平均值的偏差不大于,否则再重复操作,直至满足要求。每个测试点,取 次测量的算术平均值作为该测试点的时间常数值。按照实验设计,本次实验总共测得 组有效数据。测试结果分析由图 知,同一运动速度时,时间常数随电导率阶跃的增加基本无变化,同一电导率阶跃时,时间常
8、数随运动速度的增加呈减小趋势,且小于 时,减小幅度较大。时,时间常数波动较大,随着运动速度的增加,时间常数波动减弱。标准差 表示一组数据自身的离散程度。由表 可看出,各速度下,均小于测量值算术平均值?的,说明自身离散程度很小,时间常数随电导率阶跃基本无变化,可近似为常数。同一电导率阶跃时,与 呈非线性关系,因此对其进行非线性拟合。各速度点取所有电导率阶跃测试点的时间常数测量值的算术平均值作为该速度点的时间常数值,与 进行拟合分析,结果见图。第 期王朋朋,杨 健等:海洋电导率传感器动态标定方法研究 图 时间常数测试数据散点图表 被测传感器时间常数标准差结果列表()被测传感器?被测传感器?图 时间
9、常数与运动速度拟合曲线图 经分析得,被测海洋电导率传感器的时间常数特性符合指数函数分布,其函数关系为,被测海洋电导率传感器的时间常数特性符合指数函数分布,其函数关系为。残差平方和为原始值与回归值差值的平方的和,判定系数指回归分析中回归平方和与总平方和比值,均方根误差是原始值与回归值偏差的平方和观测次数比值的平方根。残差平方和越小,均方根误差也越小,判定系数则越大,可认为拟合效果越好。由表 知,两种被测海洋电导率传感器的拟合效果均较好。表 拟合优度结果列表传感器类型拟合优度参数残差平方和判定系数均方根误差被测传感器 被测传感器 动态标定方法根据海洋电导率传感器时间常数与电导率阶跃大小无关,与运动
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