投棄式溫深測量儀高精度測溫電路設計

雷卓，賀海靖，曲君樂，劉杰

(山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島266001)

投棄式溫深測量儀(expendable bathythermograph，XBT)是一種測量海水溫度剖面的儀器，每一次測量過程消耗一個測量探體，所以稱為投棄式或消耗式。與一般常見的船載式溫鹽深儀(CTD)相比，XBT具有方便、靈活和快速等優點，適合于大面積海域的測量調查。XBT結構如圖1所示，探體安裝在發射筒中，探體中搭載溫度傳感器，探體釋放入水后溫度傳感器開始測溫，測量數據通過上下線軸上纏繞的漆包線傳回甲板單元進行處理，并通過上位機顯示。

目前，美、日等國的XBT技術最成熟，已形成產品化。中國的XBT技術則剛起步，只有少數科研機構處于研制階段，而且在溫度測量精度方面與國外產品存在較大差距［1］。本文設計的XBT系統使用熱敏電阻作為測溫元件，在用高性能低功耗的16位單片機和高精度的模數轉換器為核心組建測溫電路，通過多點校準插值計算使系統測溫精度滿足要求。另外，針對XBT入水開始工作的特點，設計了可靠的入水觸發工作電路。

圖1 XBT探體及發射筒結構Fig.1 Structure illustration of XBT probe and launcher tube

1 測溫電路設計與校準

1.1 測溫電路設計

針對XBT探體在海水中下落速度較快的特點，本系統選用高精度、高分辨率的熱敏電阻作為測溫傳感器。熱敏電阻相對于其他溫度傳感器，具有響應速度快、體積小且精度高等優點。如圖2所示熱敏電阻 RT，其測量精度為±0.1℃，分辨率為0.02℃，響應速度為0.2 s。

系統測溫電路采用16位超低功耗的MSP430單片機為主控制器，與其他單片機相比，其超低功耗的特點更適合本儀器在海上靈活應用。使用了24位Δ-∑型高精度模數轉換器，該轉換器對系統整體的精度及測溫分辨率起到至關重要的作用［2］。電路工作原理圖如圖2所示。

圖2 測溫電路工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of the temperature measurement circuit

熱敏電阻(RT)與其余3個固定電阻組成單元件變化電橋，RT阻值隨溫度的變化而變化，阻值變化引起電橋輸出電壓變化，經AD轉換模塊對其進行模數轉換，模數轉換器經過SPI串行接口與單片機連接，單片機經過RS485傳送至計算機實時顯示溫度測量值?；鶞孰妷耗K為電橋提供激勵并為模數轉換器提供參考電壓［3］。

AD模塊的參數設置中，轉換頻率過高會影響器件精度，而增益倍數過大也影響AD的穩定位數。本系統根據時間響應的要求以及傳感器輸出信號的計算，配置AD轉換頻率為50 Hz、放大倍數為2。經測試，最終精度可達20位RMS(root mean square)以上。

1.2 溫度校準

熱敏電阻的阻值R和對應的溫度T是非線性關系，在實際使用中采用何種方法對溫度值校準也影響系統的測溫精度。應用較多的分段擬合、B值法等得到的測量精度不能滿足本系統的精度要求。

本系統使用的方法是測量電路與熱敏電阻共同校準。在測量電路與熱敏電阻連接完好、正常工作的情況下，利用恒溫試驗箱在－10～40℃范圍內均勻選取n個溫度點，記錄每個溫度點熱敏電阻值對應的ADC數值，使用插值法便可計算所有ADC值對應的溫度值。相對于孤立地對熱敏電阻進行校準，此方法可將電子元件溫漂、電橋電阻容差等電子元件所帶來的誤差最大限度地縮?。?－5］。

經過溫度校準后利用恒溫箱對系統進行測試，表1為部分溫度點的測試數據，試驗表明系統的溫度測量精度可達±0.02℃，達到了預期目標。

表1 系統測溫值精度驗證數據Table 1 Accuracy verification data of system temperature measurement value

2 探體入水檢測模塊設計

XBT是探體入水后測溫電路開始工作的，工作前系統一直處于休眠狀態。為避免測溫電路入水前提前或入水后延遲工作，必須設計準確的入水檢測電路，使探體在入水的瞬間觸發測溫電路開始工作。

一般檢測電路多使用繼電器等開關元件控制電路通斷，但這種方法容易形成誤觸發或者電路的入水檢測部分對測溫部分產生信號干擾［6］。本設計采用光耦隔離的方法使電路的入水檢測與測溫部分隔離開，避免了信號的干擾，并在軟件設計中加入延遲程序來避免誤觸發現象。電路設計原理圖如圖3所示，A點為接地線聯通海水，B點為安裝在探體內的金屬觸點，探體入水前A、B兩點斷開，測溫電路處于休眠狀態，探體入水時海水作為導體使A、B兩點導通，光電耦合器發出脈沖信號送入單片機，單片機控制測溫電路開始工作。

在實際的使用中發現經常存在誤觸發現象，即探體尚未入水的情況下測溫電路開始工作，其原因是單片機將抖動、干擾信號等誤認為脈沖信號，本設計使用軟件延遲的方法來消除誤觸發［7］。軟件設計如圖4所示，單片機收到脈沖信號后，延時10 ms重新檢測脈沖信號，確認無誤后測溫電路開始工作，軟件延時能有效地濾除誤觸發信號。

圖3 入水檢測電路工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of water immersion detection circuit

圖4 消除誤觸發軟件設計Fig.4 Software design of false triggering elimination

3 測溫電路整體軟件設計

系統軟件設計是通過對單片機寄存器編程實現的，本系統軟件設計的核心是判斷探體入水以及通過AD轉換器實現采集數據的模數轉換［8］。軟件設計流程如圖5所示。

圖5 整體軟件設計Fig.5 Design of the whole software

單片機和模數轉換器初始化后等待探體入水信號，探體入水時單片機收到脈沖信號并發出指令，模數轉換開始工作，轉換結果通過R-T對照表換算為溫度值由上位機實時顯示。當探體達到預定測量深度時模數轉換結束，整個測量過程結束。

4 海試數據對比

為驗證溫度測量的準確性，在南海水深1 km以上的水域進行大量的XBT投放試驗，同時用標準CTD為參考，對XBT測出的溫度剖面進行對比，圖6為一組對比曲線。

經過對比，XBT測量的溫度剖面與標準CTD剖面曲線相似度在0.9以上，溫度平均誤差小于0.2℃，在允許誤差范圍內，說明XBT測量溫度剖面在準確性方面已達預期目標，測溫精度能夠滿足要求。兩條曲線的偏差與操作的一致性以及當時的海況、船速等因素有關［9］。

圖6 XBT與CTD海試數據對比Fig.6 Ocean experiment data comparison between XBT and CTD

5 結語

經過海試驗證，本系統的溫度測量精度達到了預期目標，高精度的溫度測量電路和可靠的入水檢測模塊使本系統在測量海水溫度剖面的準確性上取得了突破，但與國外成熟產品相比在測溫精度方面仍有可提升空間。在后續的工作中還要進行更深入的研究，優化測溫電路和配套軟件，進一步提高XBT的測溫精度和溫度剖面測量的準確性。

［1］門雅彬，方芳，李興岷，等.多枚XBT自動投放與測量系統數據采集控制單元設計［J］.計算機測量與控制，2013，21(6):295－297.

［2］翟小羽，王海濤，齊占輝，等.基于北斗衛星的XBT數據傳輸系統設計與實現［J］.海洋測繪，2013，33(2):65－66.

［3］廖曉文，陳正石，田志波，等.半導體溫控系統的自抗擾控制器設計［J］.自動化儀表，2012，33(8):49－51.

［4］KIZU S，HANAWA K.Recorder-dependent temperature error of expendable bathythermograph［J］.Journal of Oceanography，2004，58(3):469－476.

［5］孫成林，楊曉劍.電子線路［M］.北京:北京理工大學出版社，2009:36－52.

［6］董慶亮，陳東，李明叁，等.投棄式溫鹽深測量儀在海底地形測量中的應用［J］.2013，33(3):40－43.

［7］張瑞.投棄式海流剖面儀探頭運動特性數值模擬研究［D］.天津:河北工業大學，2011:18－26.

［8］張瑞，陳文義，劉寧，等.不同攻角下投棄式海流剖面儀流體動力特性研究［J］.海洋技術，2011，30(1):41－44.

［9］ABRAHAM J，GORMAN J，RESEGHETTI F.A new method of calculating ocean temperatures using expendable bathythermographs［J］.Energy and Environment Research，2011，1(1):2 －11.