化學傳感器鏈的集成及其在龜山島海底熱液區的實際應用

秦華偉，應崎偉

杭州電子科技大學機械電子工程研究所，浙江杭州 310018

0 引言

龜山島近岸海底熱液具有強酸性和強還原性的特點[1-5]，本次工作使用的四具傳感器上集成的探測元件包括溫度、pH、Eh和總溶解H2S。將四具傳感器按4m間隔固定在纜繩上，組成傳感器鏈，對龜山島近岸的海底熱液區進行了拖曳式探測。

本文主要研究水下數據采集器的設計、化學傳感器鏈的集成和應用。

1 數據采集器的設計

1.1 系統構成

采集器由信號檢測、濾波放大、A/D轉換、存儲與處理、通信傳輸等部分組成[8]。

1.2 低功耗設計

由于傳感器鏈要在水下拖曳，所以采用的供電電池體積不能過大。但是在拖曳式探測過程中，數據采集系統必須連續工作，因此一定要滿足低功耗的要求。要實現低功耗，可以從2個方面進行：

1）選擇功耗較低的元器件。能滿足一種功能的芯片有很多,但是它們之間的功耗可能相差很大,供電電壓、封裝尺寸也可能不同，因此可以選擇功耗較低的元器件；

2）低功耗的電路結構設計。對于某一時間不工作的元器件，通過開關芯片等切斷元器件的供電電源，降低功耗。

1.3 系統精度設計

傳感器上的信號是直流信號。對直流信號而言，輸入信號VIN與與輸出信號VOUT有如下關系：

令R1=R2， 輸 入 電 壓 VREF= 0.625V， 可 以 得 到VOUT= 1.25? VIN。對于在-800mV～800mV范圍內的VIN信號 ，VOUT輸出范圍在425mV～2050mV之間，滿足ADC模塊的輸入信號范圍要求。

系統測量值精度為 ：2.5÷ 212= 0.61mV，精度滿足系統要求。

2 數據采集器的集成封裝

圖1 機械封裝示意圖

由于白泉附近的測量環境是在一個溫度小于100℃，壓力小于0.3 MPa，但相對酸性的環境，為防止測量過程中出現腐蝕現象影響測量結果，采用耐腐蝕的高分子材料（尼龍）來封裝電極和電路板。整個傳感器筒的尺寸為長280mm，直徑72mm，總重量在空氣中僅3kg，如圖2所示。

對于尼龍而言，其屈服強度σ0.2= 54.88MPa ，取ns=2，則有 ：

尼龍的抗拉強度σb=83.3MPa ，取nb=3，則有 ：

所以取許用應力[σ]t=27.44MPa 。內徑Di為72mm，PC使用壓力為0.3Mpa，那么壁厚厚度δ應該為：

取腐蝕余量為1.5mm，加工余量0.5mm，為了防止失穩，取圓整厚度δ=12mm。

則機械封裝殼外徑 D0=72+2×12=96mm 。

故本設計需按短圓筒進行穩定性校核：

其中，安全系數m取3。

所以，電路腔壁厚的設計是安全的。

3 傳感器鏈與拖曳作業

將四具傳感器按一定間隔固定在纜繩上，組成傳感器鏈，對龜山島近岸的海底熱液區進行了拖曳式探測。

由于白泉深19m，所以A、B、C、D四個傳感器筒體分別綁在距離海面2m、6m、10m、14m深度上組成傳感器鏈，如圖3所示。黃泉口深10m，所以A、B、C、D四個傳感器筒體分別綁在距離海面1m、3m、5m、7m深度上組成傳感器鏈，如圖4所示。傳感器鏈由作業船拖曳，以白泉點為中心，以較慢的速度繞圈行駛（～0.4 kph）.

圖3 白泉上方傳感器鏈集成圖

圖4 黃泉上方傳感器鏈集成圖

4 數據采集結果

在白泉、黃泉上方，傳感器鏈都按拖曳了約35分鐘，獲得了一系列連續的pH、EH、溫度等數據，所測得的數據為后續的分析工作提供了堅實的基礎。由于采集過程中，數據量非常大，所以數據采集結果只提供如表1所示的一定時間段內白泉上方傳感器筒體A中數據采集器采集到的原始數據。

表1 白泉A上方A筒體中數據采集器在下午1點左右采集到的原始數據

5 結論

將商業溫度傳感器和自制pH電極、Eh電極集成的傳感器筒體串連成傳感器鏈，拖曳式探測了臺灣東北部龜山島附近海域的白色熱泉和黃色熱泉泉口海底熱液，獲得了一系列實地海底熱液數據，為下一步進行數據分析處理提供了良好的基礎。

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