海洋上層高分辨率溫度鏈觀測系統設計

武文豪，徐霄陽，張晨光，徐國峰

（1.中國海洋大學三亞海洋研究院，海南 三亞 572025；2.中國科學院深海科學與工程研究所，海南 三亞 572025）

海洋上層高分辨率溫度數據對海洋牧場建設、全球氣候變化評估、海洋環境預報、防災減災等具有重要意義[1-2]。目前，國內外對海洋上層溫度剖面的觀測主要采用掛載自容式溫度傳感器的方式，這種觀測方式只能等到設備回收時才能獲取數據，觀測數據的時效性差，無法滿足實時觀測需求[3-4]。另外，傳統的溫度傳感器存在體積大、價格昂貴等問題，大幅度增加了海上作業布放難度和觀測成本。

因此，國際上開始研制一種新型高精度小型化溫度鏈。此類設備是在滿足測量精度性能下實現實時數據觀測，整個系統攜帶多個傳感器節點，可完成不同深度海域的溫度數據測量。以加拿大RBR公司的concderto3Tx、德國GEOPRECISION 公司的T-Node 和RST Instruments 公司的Thermistor Strings為主要代表。其中，RBR 公司研制的concderto3Tx采樣間隔最短可達3 s，鏈路可配備24 個傳感器節點，鏈路長度400 m，測量精度±0.005 ℃，該鏈式觀測設備在國際上已逐漸開展應用[5-6]。目前國內一些高校、科研院所、海洋公司也開展了對溫度鏈的研究，但存在觀測系統結構復雜、觀測深度較淺、研制成本較高、測量精度不夠等問題[7-8]。

基于上述背景，本文設計研制了一種可實時獲取海洋上層溫度剖面數據的溫度鏈系統，其鏈路總長200 m，具有10 個測溫節點，采用RS-485 通信方式，測量初始精度優于±0.005 ℃，如圖1 所示。其具有成本低、體積小的優點，方便集成于調查船、漂流浮標等多種海洋觀測平臺，可有效滿足海洋上層高分辨率溫度剖面觀測需求。

圖1 溫度鏈外觀圖

1 系統架構設計

本文設計的溫度鏈主要搭載于調查船、浮標等觀測平臺，通常以拖曳和懸掛的方式觀測海洋上層溫度，實際作業時需考慮其耐壓能力、拖曳能力和防腐蝕能力。溫度鏈整體架構上采用了一種樹狀分支結構，可分為主纜（通信電纜） 和分支纜（傳感器節點） 兩部分，結構示意如圖2 所示。這種結構的優勢在于能夠將通信電纜和各測溫節點分離開，測溫節點可實現獨立制造和標定。主纜和分支纜均采用聚氨酯材質電纜，電纜內部嵌有凱芙拉纖維，可有效防止海水對設備的侵蝕及生物附著，并提供一定的結構強度。節點傳感器研制完成后，按照指定線序將分支纜與主纜進行連接，通過逐級硫化的方式將多個傳感器節點集成在鏈路上。主纜的頭部集成了水密連接器和鋼網護套，使整個系統可以集成多種觀測平臺。

圖2 溫度鏈系統結構示意圖

本文設計的溫度鏈鏈路總長200 m，攜帶有10個傳感器節點，節點平均分配在主纜上，各個節點間隔20 m，第一個節點距離首端和最后一個節點距離尾端均為10 m，考慮到整條鏈路的簡潔度并保證傳感器節點集成時有足夠的彎曲空間，傳感器節點與主纜之間的分支纜長度設定為18 cm，節點分布如圖3 所示。

圖3 溫度鏈節點分布圖

溫度鏈系統的主要技術指標如表1 所示。

表1 溫度鏈系統主要技術指標

2 傳感器節點硬件設計

溫度鏈系統的傳感器節點由溫度探頭與硬件電路組成。硬件電路主要由測量電路、主控電路、通信電路和電源電路4 部分組成，設計框圖如圖4 所示。測量電路是傳感器節點的核心，使用了24 位的模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）[9]，以滿足高分辨率測量需求。主控電路中使用了PIC18F 系列單片機[10]，其具有體積小、功耗低等優點，通過外接高速晶振來提高單片機的整體工作效率。通信電路主要是將控制器的邏輯電平轉換成RS-485 電平，與通信電纜配合實現總線通信。電源電路主要是將入口電壓進行降壓處理，為后級主控電路和通信電路提供符合要求的供電，同時也為測量電路提供高質量的電壓基準。最后通過溫度探頭對環境參量的感知，結合硬件各功能模塊電路，實現傳感器節點的測量與通信功能。

圖4 傳感器節點電路設計框圖

2.1 溫度探頭設計

溫度傳感器的敏感元件主要有熱電偶、金屬熱電阻和熱敏電阻。熱電偶測溫范圍廣但靈敏度低，達不到高精度測量要求。金屬熱電阻中鉑熱電阻應用最為廣泛，測量精度高、穩定性強，但其具有靈敏度低、成本高的缺點。熱敏電阻具有溫度系數大、靈敏度高、體積小、成本低等優點，在汽車電子、工業電子、家庭電器等領域有著廣泛的應用[11]，其又分為正溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC） 熱敏電阻和負溫度系數（Negative Temperature Coefficient，NTC） 熱敏電阻，根據NTC、PTC 熱敏電阻的阻溫特性曲線，本文選取NTC 熱敏電阻作為感知環境溫度的敏感元件。

NTC 熱敏電阻的溫度系數為負值，且溫度系數隨溫度的增加而減小，溫度系數越小，靈敏度越低，存在嚴重的熱電非線性，其阻溫特性曲線如圖5 所示。因此，需要通過科學規范的標定過程與校準方法，對熱敏電阻進行線性化處理，以滿足高精度測量需求。

圖5 NTC 熱敏電阻的阻溫特性曲線

本文選用的NTC 熱敏電阻基于微型化制備技術及其超薄絕緣密封工藝，具備耐振動、沖擊的環境適應性，由于最大作業深度為200 m，設備將承受一定的水壓，需要對熱敏電阻進行鎧裝保護。本文采用的鎧裝殼體是316L 不銹鋼金屬，其能夠減小壓阻效應影響，具備測溫性能穩定、環境適應性強的特性，能夠更好地滿足海洋拖曳式工作環境，保證在海洋惡劣環境下溫度探頭的安全可靠，同時也兼顧了感知元件對溫度變化快速響應的性能要求與穩定性要求。通過仿真模擬得到3 MPa 外壓下，溫度探頭鎧裝殼體的應力及位移分布分別如圖6、圖7 所示，最大位移僅為0.0002 mm，最大應力為14 MPa，遠小于鎧裝殼體屈服強度170 MPa，說明設計的鎧裝殼體滿足耐壓封裝要求。

圖6 3 MPa 外壓下溫度探頭鎧裝殼體的應力示意圖

圖7 3 MPa 外壓下溫度探頭鎧裝殼體的位移分布示意圖

2.2 溫度測量設計

為實現溫度鏈測量高精度要求，本文從系統供電、ADC 選取、測量原理、外圍電路方面展開了研究。首先設計了一種高精度的供電方案，通過低紋波、寬輸入電壓范圍的DC-DC 芯片，將電源入口電壓轉換成穩定的系統電壓，并利用電壓基準源芯片給ADC 提供基準電壓，來滿足高精度的測量需求；ADC 選用了24 位高分辨率模數轉換器，其具有超低的功耗，高度集成的電路，外圍電路只需要極少的元器件，有利于實現電路規模小型化設計的需求。ADC 的模數轉換技術采用的是三角積分（∑-Δ） 轉換技術，其與傳統的模數轉換原理不同，不是直接根據抽樣數據大小進行量化編碼，而是以極高的抽樣頻率對輸入模擬量進行抽樣，并對兩個抽樣之間的差值進行低位量化，從而得到用低位數碼表示的數字信號，對低位數碼進行抽取濾波，從而得到高分辨率的線性脈沖編碼調制的數字信號[12]，這種轉換技術能夠將環境噪聲降到最低，適用于寬動態范圍、低頻信號的測量，滿足本文對采樣頻率和測量精度的需求，轉換技術如圖8 所示。

圖8 ADC 轉換技術框圖

在測量原理上，采用比例測量法來設計溫度測量電路[12]，即敏感元件熱敏電阻與參考電阻的比值等于測量電壓和參考電壓的比值，其優勢在于電源受到干擾時，驅動電壓和參考電壓的比值不會發生改變，避免了因電源電壓不穩引起的漂移，從而提高測量電路的精確度；在外圍電路上，為了防止數字地和模擬地大面積銅皮直接相連導致互相干擾，采用低值電阻將模擬和數字部分進行隔離，能有效限制環路電流，提高電路的穩定性[13]；同時，參考電阻選取低溫漂精密電阻，其阻值受溫度影響極小，進而保證測量的準確度。溫度測量原理圖如圖9 所示。

圖9 溫度測量原理圖

從圖9 可以得出，Vo=Vcc×Rx/（Rref+ Rx），其中，Vcc是熱敏電阻所在支路和測量電路的供電電壓；Vo是采樣電路的差分輸入電壓，得出溫度對應的AD 碼值為：Code=ADmax×Rx/（Rref/Rx），測量結果與電路供電電壓無關，從而消除了電源電壓不穩對數據測量的影響，保證了傳感器節點的高精度溫度測量。

3 傳感器節點軟件設計

3.1 低功耗設計

為了降低系統功耗，本設計在軟件上采用了狀態機的思想，根據工作原理將傳感器節點分成了3個狀態：休眠狀態、采樣狀態、待機狀態，如圖10所示。系統上電后單片機首先完成寄存器的初始化配置，配置結束后進入主程序循環。當傳感器收到采樣命令后，會跳轉到采樣狀態，單片機控制ADC 完成采樣，采樣數據處理完畢后通過RS-485通信模塊將數據回傳；采樣狀態結束后會跳轉到待機狀態，待機狀態下傳感器節點與上位機有更直接的交互，如果待機狀態下長時間未收到命令，傳感器則進入休眠狀態。當傳感器處于休眠狀態時，單片機進入掉電模式，停止一切工作，此時的儀器耗電量降到最低，下次工作時需要通過外部中斷將其喚醒。

圖10 傳感器節點3 種狀態工作流程圖

3.2 通信設計

溫度鏈系統采用RS-485 串行物理總線方式與觀測平臺進行通信交互。RS-485 通信采用平衡發送和差分接收的方式，抗干擾能力強，理論上最遠的通信距離是1200 m，數據傳輸速率最大2.5 Mbyte/s，觀測平臺可利用單一的RS-485 接口方便地與傳感器節點建立連接[14]。另外，RS-485 通信只需要兩根信號線，降低了溫度鏈的生產成本、加工難度、布放難度，通信電纜中將兩根信號線進行了雙絞，提高了溫度鏈通信可靠性。溫度鏈系統使用一主多從的通信結構，為確保各傳感器節點測量數據在總線上高效、低誤碼率的傳輸，設計了一套溫度鏈命令交互、數據傳輸的通信協議，協議格式如表2 所示。該協議分為幀頭、配置參數、校驗位和幀尾4部分，其中幀頭為傳感器節點物理地址標識符（ID），幀尾為固定的＜CR＞＜LF＞字符，配置參數根據命令返回相應信息。校驗采用CRC-8 方式，其具有計算速度快，檢錯能力強的優點，易于用編碼器等硬件電路實現，在電子通信領域應用非常廣泛[15]。

表2 溫度鏈通信協議

鏈路的每個節點都有自己的專屬ID，以避免工作時總線上有多臺設備占用出現通信紊亂的情況，測溫節點單次溫度采樣時間約340 ms，數據輸出在9600 baud 條件下耗時約220 ms，即理論上獲取單個節點數據需要約560 ms。獲取各個節點的數據時，可通過輪詢采樣和廣播采樣兩種方式，如圖11、圖12 所示。

圖11 輪詢采樣操作流程示意圖

圖12 廣播采樣操作流程示意圖

輪詢采樣時，以一定的時間間隔向鏈路的各個節點發送采樣指令。通過設計0.45 s、0.5 s、0.55 s、0.6 s 四種采樣間隔測試，發現輪詢時間間隔為0.45 s和0.5 s 時，鏈路不能正常工作，間隔為0.55 s 和0.6 s 時鏈路工作正常。因此，在輪詢工作模式下獲取一條鏈路數據最短所需時間為：0.55 s×10=5.5 s，測試結果如表3 所示。

表3 輪詢采樣測試

廣播采樣時，向鏈路發送廣播采樣指令，鏈路所有節點收到指令并同步開始采樣，隨后再以一定時間間隔向各個節點發送獲取數據指令，根據表3測試結果，為防止數據丟包和通信紊亂，發送廣播命令后等待500 ms 用于各個節點采樣工作，再設定150 ms、200 ms、220 ms、250 ms 作為輪詢間隔，進行實際測試。測試發現，當輪詢間隔設定為150 ms 時通信出現異常，200 ms 時出現丟包現象，當輪詢間隔為220 ms、250 ms 條件下均能正常工作，因此獲取一條鏈路數據最短需要時間：500 ms +220 ms×10=2.7 s，測試結果如表4 所示。

表4 廣播采樣測試

從上述兩種工作模式的測試比較中可以看出，輪詢采樣模式耗時約為廣播采樣模式的兩倍，因此在實際應用時，可使用廣播采樣工作模式，既提高了作業效率，又保證了各傳感器節點采樣的同時性，更適用于海洋上層溫度數據的剖面觀測。

4 傳感器標定與海上試驗

4.1 傳感器標定

由于溫度鏈的溫度敏感元件選用的是熱敏電阻，其阻溫特性曲線呈非線性，要獲得高精度的測量數據，需要對其進行標定。溫度傳感器節點的標定使用恒溫水槽，其控溫區間為1～40 ℃，短期波動度優于0.001 ℃。同時水槽中放有美國海鳥公司生產的SBE56 型數字溫度傳感器作為溫度標準，其溫度測量準確度為±0.002 ℃，可溯源ITS-90 溫度標準。通過標準源數據與待標定傳感器輸出的測量數據建立合理的線性化數學模型，并對傳感器節點的輸出值進行擬合得到擬合系數，實現海水溫度的高精度測量。

溫度標定實驗選取了8 個控溫點，分別為35 ℃、30 ℃、25 ℃、20 ℃、15 ℃、10 ℃、5 ℃、1 ℃，標定時按溫度點分布從高到低控制水槽溫度。將標準源傳感器按1 s 采樣間隔進行配置并采樣。當達到控溫點且溫度變化穩定時，配置傳感器節點進入標定模式，進行約2 min 的數據采樣，記錄標準源數據與傳感器節點實際測量數據。標定實驗過程中獲得的溫度變化曲線，如圖13 所示。在水槽控溫系統的控制下，水溫呈階梯狀變化。

圖13 溫度標定曲線圖

表5 是8 個控穩點溫度穩定時的標準溫度值與傳感器采樣獲得的電阻值。由于傳感器的測溫敏感元件采用的是負溫度系數熱敏電阻，因而在高溫時電阻值較低，在低溫時阻值較高。

表5 溫度標定數據

根據表5 中的數據，利用Steinhart-Hart 方程[16]進行擬合求解。

式中，T 為標準溫度，單位為K；RT為采樣電阻值；g、h、i、j 為所求的擬合系數，使用線性回歸算法，即可解算獲得4 個擬合系數。將擬合系數重新代入式（1）中，利用表5 中的電阻值，得出8 個溫度點下的儀器測量示值，通過與標準源溫度數據作差比對，得出示值誤差，如表6 所示。

表6 溫度標定示值誤差單位：℃

由表6 可知，傳感器標定后的示值誤差整體優于±0.005 ℃。測量儀器的示值誤差表現出一個儀器的測量準確度，可見傳感器的溫度測量精度滿足設計要求。采用相同的標定方法對鏈路所有測溫節點進行標定校準，結果均符合設計要求。

標定完成后對測溫節點的測量性能進行了均一性測試，測試時各節點傳感器分開進行供電與通信，對10 臺節點傳感器分兩批次進行了測試，第一批次抽取1、3、5、7、9、10 號節點，第二批次為2、4、6、8 號節點。將準備好的節點傳感器放置于裝滿水的桶中，配置采樣時間間隔為5 s 進行10 h 以上連續測試，測試結果如圖14、圖15 所示。

圖14 第一批次節點傳感器均一性測試

圖15 第二批次節點傳感器均一性測試

從測試結果來看，各節點傳感器溫度測量變化趨勢一致，驗證了傳感器節點的測量準確性符合精度要求。

4.2 海上試驗

2022年10 月，本文設計的溫度鏈搭載海洋調查船于我國南海西沙某海域進行了海上試驗，試驗目的是對溫度鏈進行拖曳作業功能性驗證，其中包括傳感器的數據采集與數據傳輸可靠性測試。

本次海試作業的溫度鏈總長200 m，共10 個傳感器節點，以20 m 間隔均勻分布在鏈路當中。將研制完成的溫度鏈與承重纜通過專用防護膠帶纏繞在一起，使用過程中設備可得到有效防護，同時提高了鏈路的拖曳能力，保證了海上作業的實用性和可靠性。溫度鏈搭載調查船進行走航式工作，設備提前纏繞在絞盤機中，如圖16 所示。溫度鏈一端配有重物，先布放入水，后通過絞盤機勻速將鏈路全部布放，為驗證傳感器數據測量準確性，在鏈路布放過程中，將一臺自容式SBE56 傳感器與溫度鏈的5 號節點傳感器節點捆綁在一起，并提前配置其開始工作，采樣間隔設定為5 s，用于后期數據比測。溫度鏈另一端通過水密纜與船上主機相連，通過主機發送采樣命令控制鏈路進行工作。

圖16 纏繞在絞盤機上的溫度鏈

海試過程中，設定溫度鏈總體采樣間隔為5 s，調查船航行速度8～9 kn，航行拖曳過程約1.5 h。拖曳結束后，同樣采用絞盤機對鏈路進行回收，回收至5 號節點時，將自容SBE56 取下并下載數據。對溫度鏈10 個傳感器節點與SBE56 傳感器數據進行處理分析，獲得溫度鏈在拖曳過程中的溫度數據曲線，以及5 號節點與自容SBE56 的溫度測量誤差曲線，分別如圖17、圖18 所示。

圖17 溫度鏈與自容傳感器拖曳過程中的數據曲線

圖18 溫度鏈5 號節點與自容SBE56 的測量誤差曲線

從測溫曲線可以看出，海水溫度隨深度增加而不斷減小，且越靠近海表，溫度下降趨勢越明顯，這主要是海表長期接收日光照射，溫度較高，隨著水深增加大部分光線被吸收，溫度下降趨勢逐漸不明顯。另外，從自容SBE56 的溫度變化與溫度鏈各節點的溫度變化來看，二者測量數據一致性較好，數據的變化可能是由于航行過程中鏈路的起伏造成的。從誤差曲線可以看出，溫度鏈5 號節點與SBE56 的誤差平均值為-0.00647 ℃，數據表明溫度鏈傳感器具有較好的測量準確性。海試過程中未出現數據通信中斷的現象，數據傳輸連續可靠，表明溫度鏈設備拖曳作業功能達到要求。

4.3 溫度測量穩定性評估

溫度鏈海上試驗結束后，隨即對各測溫節點溫度測量準確都進行了復檢測試，以驗證傳感器的溫度測量長期穩定性。將本次復檢測試實驗的測溫節點溫度測量示值與標準溫度進行對比，得到該測溫節點的漂移量，復檢測試實驗的誤差如表7 所示。

表7 復檢測試實驗數據單位：℃

本次復檢測試實驗與初始標定實驗間隔了近3個月，從表7 可以看出，測溫節點測量的儀器示值與標準溫度間存在±0.003 ℃的誤差，通過對鏈路上10 個測溫節點做相同的復檢測試實驗，其整體誤差小于±0.005 ℃，表明本文研制的傳感器具有較好的長期穩定性，滿足觀測要求。同時也可以看出傳感器長期使用后還需重新標定以滿足高精度需求。

5 結論

本文首先對系統架構設計進行了介紹，接著對溫度探頭和傳感器節點的軟硬件設計過程做了闡述，在實驗室完成了標定測試、均一性測試，驗證了傳感器節點的測量性能，最終研制出鏈路總長200 m，帶有10 個測量節點的溫度鏈觀測設備，具備體積小、成本低、精度高等優點。溫度鏈設備搭載調查船進行了海上拖曳試驗，試驗結果表明，溫度鏈海上拖曳作業穩定可靠，數據測量準確，走航時可高時效、高分辨率的獲取海洋上層溫度剖面數據。海試結束后通過實驗室二次復檢測量誤差，評估了系統溫度測量的穩定性，結果表明系統測量的總體漂移誤差較小，滿足觀測需求。溫度鏈觀測系統具有良好的平臺移植性，可方便集成于調查船、浮標等多種海洋觀測平臺，對深入開展海洋環境調查與應用具有重要的研究意義。