海洋環境參數監測傳感器的穩定性評價研究

王愛軍趙卓英張川程紹華

(國家海洋標準計量中心 天津 300112)

0 引言

隨著海洋強國、質量強國和海洋生態文明的建設,海洋觀測預報、防災減災、生態修復和生態文明建設等活動更加重視海洋環境參數監測數據的準確和可靠[1-3]。利用各種性能優異的傳感器是獲取實時和連續海水環境參數的最直接和最有效的方法[3-6],可提供各種海洋環境參數的時空分布和變化規律,因此傳感器是海洋調查儀器的基礎,其各方面性能是評價儀器質量的關鍵,同時是調查數據質量的保障[3]。

海洋傳感器的使用環境復雜多變,會受到風、流、浪、鹽霧和生物附著等各類環境因素的影響[1,3],再加上海洋數據種類多和采集成本較高,因此為獲得高質量的海洋環境監測數據,須經常校準和評價傳感器的性能[7]。計量校準是利用標準儀器對被校儀器進行測量,通過比較標準值和測量值而實現。未經標定的船載CTD鹽度數據質量遠遠落后于《海洋調查規范》對鹽度準確度為±0.02‰的測量要求[8],凸顯將船載CTD送至計量機構校準的必要性。同時,海洋計量在保障數據準確性和推動國內海洋儀器產業化進程中發揮的作用日益清晰,自研儀器的準確性已成為國家重點研發計劃項目關注的考核指標。

海洋儀器用戶通常在出海前、出海后或定期將海洋環境參數監測的傳感器送至海洋計量檢測機構進行校準,海洋計量檢測機構將新的校準證書和系數提供給用戶,用戶將新的系數置入儀器的配置軟件,從而確保下一次各傳感器的測量數據準確和可靠。在長期的海洋觀測中,傳感器的穩定性、漂移性和準確性是最重要的部分[3]。海洋計量檢測機構利用多年的校準數據評價海洋傳感器的穩定性、漂移性和準確性,不斷拓展海洋儀器計量服務,助力海洋儀器質量提升。

本研究以海洋環境參數監測常用的溫度、電導率、濁度和葉綠素4個傳感器為評價對象,利用同一臺儀器多年的校準數據建立海洋儀器計量評價模型,系統評價傳感器的長期穩定性,提供漂移系數方便用戶修正校準周期內的數據,提升海洋環境參數監測數據的準確性。

1 評價對象和計算方法

1.1 評價對象

海洋環境監測所用儀器多集成各類傳感器,搭載在海洋調查船、海洋浮標、海洋站和其他監測平臺上,直接置于海水中進行實時和連續測量,其工作原理是水下儀器測量單元通過線纜將數據上傳到岸上數據接收單元,通過傳感器電信號值與傳感器示值之間的公式轉化為海洋要素的測量數據。通常情況下,海洋環境監測所用的傳感器校準是將傳感器電信號值和標準值相聯系的重要步驟[7],給出新的擬合系數有助于判定儀器性能。

本研究以常見的小型多參數水質儀搭載的溫度、電導率、濁度和葉綠素傳感器為評價對象,技術指標如表1所示。

表1 各傳感器的技術指標

溫度傳感器和電導率傳感器按照《溫鹽深測量儀》(JJG 763-2019)[9]進行校準;濁度傳感器按照《海水濁度測量儀校準規范》(JJF 1571-2016)[10]進行校準;葉綠素傳感器選用水溶性的熒光素鈉溶液為參考標準溶液[11-12],通過配制系列標準溶液實現傳感器熒光性能的檢測。

1.2 傳感器的漂移系數和漂移率

利用最近一次校準的傳感器電信號值與標準值進行線性回歸,得出新的擬合公式;將往年的傳感器電信號值代入該擬合公式,計算每年校準的傳感器示值和誤差;根據每年校準的傳感器示值和對應標準值計算每年傳感器的漂移系數。傳感器的漂移系數(slope)的計算公式為:

式中:Y i示和Y i標分別表示傳感器在第i個校準點的示值和標準值;n表示校準點個數。

對于數據漂移嚴重的傳感器,計算每年傳感器的漂移率(δ),計算公式為:

式中:slopepost和slopepre分別表示最近一次和上一次校準的傳感器漂移系數;Δt表示2次校準的時間間隔。

1.3 傳感器的穩定性

傳感器的穩定性是指傳感器在一定時間內輸出信號的復現性程度[13],該指標是與時間有關的真正影響因素。受海水不斷運動變化的影響,由于測量時間不同,同一測量點上各傳感器測量的海洋環境參數監測數據不盡相同,無法考察儀器的長期穩定性。傳感器校準是在同一實驗室和同一環境條件下,由同一批實驗人員采用同一種方法和同一種計量標準器,在不同時間進行的重復性實驗,其校準數據具有可比性。因此,本研究利用3～5年的校準數據評價傳感器的長期穩定性。

2 結果與討論

2.1 傳感器的漂移系數和漂移率

選用最近一次即2021年校準的各傳感器電信號值和標準值進行擬合(圖1)。其中,溫度和電導率傳感器的擬合公式為多項式,相關系數的R2值為1;濁度和葉綠素傳感器的擬合公式為線性,相關系數的R2值均大于0.999。

圖1 各傳感器最近一次(2021年)校準的擬合曲線

利用各擬合公式以及2016—2020年(2018年未送檢)各傳感器的歷年電信號值與對應標準值,計算新的各傳感器測量值。利用計算后的各傳感器測量值與標準值,按式(1)計算各傳感器的歷年漂移系數(圖2)。

由圖2可以看出:①溫度傳感器的漂移系數前2年略大于1,后3年維持在1附近;②電導率和葉綠素傳感器的漂移系數基本低于1;③濁度傳感器的漂移系數基本大于1。由于每次校準的標準值基本無變化,則漂移系數與儀器測量值呈負相關關系,即傳感器的測量值與標準值接近時,漂移系數在1附近;當傳感器的測量值低于標準值時,漂移系數大于1;當傳感器的測量值高于標準值時,漂移系數小于1。因此,從每年的漂移系數可以得出傳感器測量值的漂移情況,若漂移系數越小或越大,傳感器測量值遠離標準值,表明傳感器性能越不穩定;若漂移系數維持在1附近,表明傳感器性能越穩定。

圖2 擬合后的傳感器測量誤差及其漂移系數

利用漂移系數,按式(2)計算各傳感器的年漂移率(表2)。

表2 各傳感器的年漂移率%

由表2可以看出,溫度、電導率、濁度和葉綠素傳感器的最大年漂移率分別為0.06%、0.59%、-1.18%和19.20%,表明溫度傳感器的數據漂移較小,電導率傳感器次之,而濁度和葉綠素傳感器的數據漂移較大。

數據漂移是指由于儀器計量特性的變化引起的示值在一段時間內的連續或增量變化,通常以重復測量示值的平均值衡量數據漂移。分析數據漂移的原因在于海上環境復雜,各傳感器長期在水下運行,生物污染和電子元器件隨時間變化[14]等因素會導致傳感器產生漂移。此外,光學傳感器的檢測窗口易被擦傷或被生物附著,導致劃痕較多,在一定程度上影響數據質量;如果在光學傳感器上增加1個清潔刷,定期清掃傳感器檢測窗口,就能夠保護傳感器檢測窗口,在一定程度上保障光學傳感器的數據可靠。

對于傳感器數據存在漂移的情況,將每年的傳感器漂移系數(圖2中的slope值)與對應年份的傳感器測量值相乘,可實現傳感器數據修正。①溫度傳感器修正前的歷年誤差大部分為負值,誤差范圍為-0.15℃～0.05℃,修正后的誤差為±0.04℃,2019—2021年的誤差為±0.01℃。②電導率傳感器修正前的歷年誤差均為正值,誤差范圍為0.03～2.00 mS/cm,修正后的誤差為±0.15 mS/cm,2019—2021年的誤差為±0.01 mS/cm。③濁度傳感器修正前的歷年誤差大部分為負值,誤差范圍為-3.00～0.50 NTU,修正后的誤差為±0.60 NTU。④葉綠素傳感器修正前的歷年誤差均為正值,誤差范圍為0～100μg/L,修正后的誤差為±2.2μg/L。由此可見,修正前傳感器的測量誤差重復性較差且呈單向增量變化,通過漂移系數對傳感器數據進行修正后,傳感器的測量誤差有所降低,均在傳感器測量準確度內,且呈正態分布。因此,利用傳感器歷年校準數據計算的漂移系數為生產廠商和用戶提供校準周期內的數據修正方法,可在一定程度上提升傳感器的性能,確保測量數據的準確和可靠。

2.2 傳感器的穩定性

在計量學上,測量儀器的穩定性是指測量儀器的計量特性隨時間恒定不變的能力,通常需要通過多個周期的測試才能確定。海洋計量檢測機構利用同一傳感器連續多年的校準數據來分析海洋傳感器的穩定性。

同一傳感器每年定期送至海洋計量檢測機構校準,在相同的計量標準裝置、相同的校準方法、相同的操作程序、相同的操作條件和相同的地點對同一被測儀器進行重復性測量,傳感器的測量值具有一定的可比性。因此,按照同一回歸公式,將各傳感器歷年電信號值轉化為傳感器測量值,再比較傳感器測量值與對應標準值的差即傳感器測量誤差的重復性,即可評價傳感器的穩定性。

由圖2可以看出,溫度傳感器2016—2017年的測量誤差為-0.30℃～0.20℃,波動較大,2019—2020年的測量誤差在0附近,表明傳感器測量誤差的重復性較好,由于每年的標準值基本不變,即傳感器的測量值重復性較好;電導率和葉綠素傳感器歷年測量誤差整體正向漂移,表明傳感器的測量值低于標準值;濁度傳感器歷年測量誤差整體負向漂移,表明傳感器的測量值高于標準值。因此,當傳感器歷年測量誤差均為正向或負向誤差,即誤差向同一個方向變化時,表明傳感器數據發生漂移即性能不穩定;當傳感器歷年測量誤差在0附近輕微波動時,表明傳感器測量值穩定即傳感器性能穩定。

3 結語

由于海上調查的成本高且周期長,海洋儀器一旦性能不穩定或出現系統故障,會影響數據質量和成本效益。因此,本研究以溫度、電導率、濁度和葉綠素4個傳感器為評價對象,以同一傳感器3～5年內的歷史校準數據為基礎,形成海洋傳感器性能評價模型,實現對海洋傳感器的長期穩定性能評價;根據數據的漂移趨勢判斷數據的修正方法,提供的修正系數可修正傳感器在2次校準周期內的數據,修正前的測量誤差大且為單向增量變化,修正后的測量誤差降到傳感器測量準確度內且呈正態分布。

隨著全國海洋觀測網的建設,為提高海洋生態災害預警監測和海洋防災減災等能力,海洋浮標、岸基平臺和船舶等搭載的自動化儀器將越來越多,海洋監測數據的分析、應用和共享將更加強化[15],對海洋儀器的性能和測量數據的準確性提出高質量要求。因此,各海洋觀測節點須定期送檢各類傳感器,確保儀器的性能可靠和數據準確;海洋計量檢測機構應充分發揮歷史計量數據的作用,建立傳感器性能評價模型,為海洋觀測網提供儀器的參考壽命,通過提供漂移系數有利于觀測網修正傳感器校準周期內的測量數據,確保長期測量數據的準確和可靠,助力全國海洋觀測網和海洋強國建設。