七电极电导率传感器及CTD测量系统技术研究

摘要

海水盐度是海洋水文测量的要素之一,测量海水盐度对海洋科学研究、海洋开发利用和军事国防都具有重要意义。海水电导率测量是进行盐度测量的重要手段,使用电导率传感器测量盐度,具有精确度高、速度快、计算海水密度可靠以及便于现场测量等优点,这种方法已成为海水盐度测量的主要手段。七电极电导率传感器是一种用于海洋调查监测的高技术传感器,也是国际海洋高技术产品市场的主要竞争产品。在国家“十一五”863海洋环境立体监测技术科研项目的支持下,七电极电导率传感器的研制,跟踪了国际上电导率传感器的发展前沿,有力推动了我国电导率传感器测量技术向多品种、多功能、多方向发展。该传感器结合高精度温度传感器和压力传感器,配置高速数据采集和数据处理软件,设计成为CTD(Conductivity Temperature Depth,电导率、温度、深度)测量系统。CTD测量系统是海洋水文观测中温度和盐度要素的主要测量仪器,主要分为自容式和电缆直读式两种,分别应用在固定平台上进行系留定点测量如海洋台站、潜标、浮标、海床基等,以及移动观测平台上进行动态剖面测量如AGRO浮标、AUV、水下滑翔器等。
　　论文首先介绍了温度、盐度、深度与电导率之间的相互关系,分析了两电极、三电极、四电极以及七电极电导率传感器的测量原理、适用范围、优势和不足,提出了七电极电导率传感器的技术指标和性能优势,进行了七电极电导率传感器设计和CTD测量系统的硬件设计,包括:七电极电导率传感器的结构尺寸设计、传感器导流管和电极材料的选择、传感器导流管加工工艺、铂膜电极电镀焊接工艺以及传感器整体封装工艺;CTD测量系统中温度传感器设计和压力传感器选型;CTD测量系统硬件电路的设计,包括传感器信号转换电路设计和数据采集设计:选用PIC单片机作为主控芯片、采用高精度24位Σ-ΔA/D转换器 AD7714芯片实现A/D转换、采用串口通信方式进行数据传输、采用SD卡作为数据存储介质等;实施了CTD测量系统的传感器定标、实验室测试和海上试验,与国外同类仪器进行对比测试,最后对试验结果进行了分析说明。
　　通过实验室测试和海上试验,验证了上述设计和研究成果,CTD测量系统工作正常、可靠性高,传感器测量精度高、具有较高的可移植性,符合现场应用使用要求。

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第一章 绪论

1.1选题背景及意义

1.2 CTD技术发展现状

1.3课题背景及论文结构安排

第二章 电导率传感器的测量原理

2.1海水电导率特性

2.2电极式电导率传感器的测量原理

第三章 七电极电导率传感器结构设计、制作与测试

3.1电导池的结构设计要求

3.2电导池的结构尺寸设计

3.3电导池材料的选择

3.4电导池的制造

3.5七电极传感器的测试

第四章 CTD测量系统的设计

4.1 CTD测量系统的组成与技术指标

4.2温度传感器的设计

4.3压力传感器的选择

4.4 CTD测量系统研究内容

4.5电路设计总体思想

4.6电路设计

4.7单片机电路软件设计

第五章 CTD传感器定标和海上试验

5.1温度和电导率传感器定标

5.2压力传感器定标

5.3传感器的实验室测试

5.4 CTD的海上试验

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢