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基于光电传感技术的海水盐度计研制

曹乃锋  
【摘要】: 海水盐度的检测对研究海洋学、海洋环境监测、季节气候预测以及海洋渔业等有十分重要的实用意义,而目前国内外使用的传感器大都是基于传统电导率法来实现对其长期连续的检测,该方法存在三个参数检测不同步带来的误差。为此,本论文致力于研制一种新颖的海水盐度计,来克服传统电导率CTD仪带来的缺陷。 在充分调研国内外盐度检测技术现状的基础上,本论文系统地提出了基于新方法的海水盐度测量方案,建立了数学模型,设计了传感探头结构,并制作了原理样机。在论文中,应用到的核心理论是折射率差测量原理和半导体光吸收原理,主要完成的工作是承接前人的研究成果并对其做出了三大改进,具体包括以下几个方面: 1.提出了一种基于海水折射率的、以PSD为核心器件的盐度检测方法,并设计了相应的传感模型。在传感模型中引入了参考液的设计思路,形成差动测量,有效地消除了温度对测量结果的影响。 2.在理论推导和借鉴旧样机设计经验的基础上,设计并制作了新的盐度计样机,该传感器样机具有结构简单、成本低、实用性强、便于远程测量以及易于实用化等优点。 3.改进了旧样机中所使用的激光光源和PSD,选用了模块化光源和更高分辨率的PSD,明显地提高系统的测量精度和稳定性。 4.改进了旧样机的水槽结构,将先前的双水槽扩展为五水槽,进一步放大了出射光线的位置偏移量,提高了系统的分辨率。 5.改进了旧样机的光源发射和信号调理电路,增加了光源调制和软件滤波算法,有效地消减了背景光、暗电流和外界扰动对测量的影响。 最后,在反复实验的基础上,测定了盐度标定曲线,并对系统的稳定性和影响因素进行了测量。盐度检测的分辨率达到0.0198‰,比旧样机的分辨率高了约2个数量级,稳定性好于±0.034%o,温度和扰动引起的误差分别为0.027‰/℃和±0.0913%o。实验结果表明了系统方案和结构设计的正确性,以及新样机改进措施的有效性。


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