海洋电导率传感器动态标定方法研究_王朋朋.pdf

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、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 。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，与运动速度符合函数关系的特性，结合实际测试经验，总结海洋电导率传感器动态标定方法如下。标定点选取 速度点速度点可以选择 、和 为标定点。速度标定点必须包含被测设备指标，标明速度点。电导率阶跃点负阶跃环境下，电导率阶跃量在常温时为 任一点。标定方法被测电导率传感器应首先经过静态标定。设置电导率阶跃标定点，向水文传感器时间常数测量装置、水槽加入适量的氯化钠，分别启动加热和制冷功能，同时启动搅拌器，使水流旋转，传 感 技 术 学 报第 卷槽体电导率场均匀，在、水槽间形成电导率阶跃标定点的阶跃环境。将被测电导率传感器固定在拖杆上。待、水槽的电导率环境稳定后，启动设备，被测电导率传感器按照设定速度穿越电导率阶跃层，高速数据采集系统同时采集并记录电导率传感器整个阶跃过程的数据。一次测量结束后，将电导率传感器复位至原点，进行下一次测试。一次测量结束后，记录时间常数测量值。重复的操作，每个速度连续测量 次，确保 次的测量值与 次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。取 次的算术平均值作为该速度测试点的时间常数值。重复 步骤，进行下一个速度标定点的时间常数测试。标定数据处理根据测得的各速度点下时间常数值，建立合理的数学模型，得到该传感器动态响应特性函数。测量不确定度评定为确保测量结果的准确性，以 被测海洋电导率传感器为例，根据其时间常数特性，对电导率阶跃量为 ，运动速度为 、和 时的时间常数测量结果进行不确定度评定。测量模型及不确定度来源根据时间常数的定义，其测量模型为：（）式中：为时间常数值，单位为；为阶跃起始时刻，单位为；为达到电导率阶跃 的时刻，单位为。根据测量模型知，其不确定度来源主要有：引入的不确定度分量（）；引入的不确定分量（）；测量重复性引入的不确定度分量。传递系数，则：（）（）（）（）标准不确定度评定由实测数据知，在，的微小区间里，时间与电压是线性关系：（）（）式中：、为常数，其中运动速度和起始电导率值对被测电导率传感器的影响，体现在传感器输出电压的变化率上，即系数；为采样时间，单位为；（）为 时刻的电压值，单位为。本次测量中的系数 值见表。其中 时起始电导率值的范围为 ，其他速度点起始电导率值的范围为 ，从淡水起测。表 系数 值运动速度（）系数 为达到电导率阶跃 时的电压值，其计算公式为：（）（）式中：为阶跃起始时刻 对应的电压值，单位为；为阶跃结束时对应的电压值，单位为。实际测量中，是 对应的时刻，因而其不确定度主要来源为 的不确定度，根据不确定度的传播率，引入的不确定度分量为：（）（）（）根据式（）知，不确定度来源主要是 和引入的。不确定度主要来源为 区水槽电导率波动性和均匀性引入的不确定度分量 和，被测传感器允差引入的不确定度分量，高速数据采集系统及 转换模块引入的不确定度分量，这些参数互不相关，则：（）（）水槽电导率波动性为 ，采用 类方法评定，按均匀分布，引入的不确定度分量 。水槽电导率均匀性为 ，采用 类方法评定，按均匀分布，引入的不确定度分量 。被测传感器允差为 ，采用 类方法评定，按均匀分布，引入的不确定度分量 。由实测数据分析知（见图），电导率与电压呈线性关系：（）式中：、为常数。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 各速度点实测电导率值与电压值拟合图 高速数据采集系统采样频率为 ，采样时间分辨率为 ，转换模块转换速度快，转换过程基本无损，采用 类方法评定，按均匀分布，引入的不确定度分量 。根据式（）和式（），由不确定度的传播率得，引入的不确定度分量为：（）（）（）（）（）（）不确定度主要来源与 相同，（）（）。根据式（），由不确定度的传播率得 引入的不确定度分量为：（）（）（）（）代入式（）得（）。作为阶跃起始点，为采集数据曲线中开始出现阶跃的时间，在阶跃环境理想条件下，的不确定度来源主要是高速数据采集处理系统采样时间分辨力，因此引入的标准不确定度为（）。每个测试点重复测量 次，用 类方法评定，用贝塞尔公式计算重复性（），如表 所示。表 重复性测试数据运动速度（）时间常数测量值 重复性 参照 的规定，实际测量以三次测量平均值作为测量结果，所以测量重复性引入的不确定度分量为（）（）。合成标准不确定度综上所述，将各分量代入式（），得到各速度点下合成标准不确定度（）（见表）。扩展不确定度取包含因子，故该电导率传感器的时间常数扩展不确定度为（）（）由于时间常数与运动速度有关，为了直观比较测量结果，采用相对扩展不确定度 表示，结果见表。?（）表 不确定度汇总表运动速度（）（）（）（）（）结论本文使用水文传感器时间常数测量装置，对两种典型海洋电导率传感器进行了测试，分析得到时间常数特性：时间常数与电导率阶跃大小无关，时间常数与运动速度符合指数函数关系。根据得到的时间常数特性，结合相关测试规范和实际测试经验，总结得到动态标定方法。负阶跃环境下，在 时测量比较稳定，传 感 技 术 学 报第 卷因此电导率阶跃标定点可选择 任一点；可用时间常数与运动速度的数学函数关系作为动态标定结果，能更全面地反映传感器的动态性能。评定了时间常数测量结果的不确定度，得到的各速度下被测传感器时间常数的最大相对扩展不确定度为，小于其最大允许误差，说明该动态标定方法是准确合理的。从不确定度各分量可以看出，测量不确定度主要来源是水槽电导率波动性和均匀性，测量过程中尽量保持环境条件不变，营造理想的电导率阶跃环境，能有效提高动态标定的测量精度。参考文献：国家技术监督局 温度传感器动态响应校准 北京：中国标准出版社，胡向东 传感器与检测技术 北京：机械工业出版社，：雅各布 弗雷登美 现代传感器手册原理、设计及应用 北京：机械工业出版社，：，（）：，（）：，：，（）：吴明钰，李建国 高精度 剖面仪温度传感器海洋技术，（）：廖和琴，田雨，高坤 温度传感器时间常数测量和测试方法研究 海洋技术学报，（）：刘波，王崇愿，朱鹏飞 水流环境下温度传感器动态响应测量的不确定度评定 计量学报，（）：刘波，王崇愿，何永兴 热电偶时间常数测量的不确定度评定 传感技术学报，（）：王崇愿，朱鹏飞，宋平阶跃温度及水流速度对工业铂热电阻热响应时间的影响 上海计量测试，（）：廖理 温度传感器动态响应校准误差及影响因素分析 航空计测技术，（）：贾超，蔡杰，熊朝晖 不同传热方式下温度传感器动态特性研究 计量学报，（）：王志超 传感器动态特性建模方法及模型不确定度研究 太原：中北大学，李岩峰 接触式温度传感器动态校准技术研究太原：中北大学，张根甫，郝晓剑，桑涛，等 热电偶温度传感器动态响应特性研究 中国测试，（）：国家质量监督检验检疫总局 测量不确定度评定与表示 北京：中国质检出版社，：王朋朋（），女，部队工程师，主要从事水文气象装备试验测试及计量技术研究，；赵士伟（），男，部队工程师，主要从事水文气象装备试验测试及计量技术研究，；杨 健（），男，部队高级工程师，主要从事水文气象装备试验测试及计量技术研究，。