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基于光电传感技术的海水盐度计研制

作　者: 曹乃锋
导　师: 李民
学　校: 中国海洋大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 海水盐度 光电检测 差动测量 位置敏感器件(PSD)
分类号: TH766.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 133次
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内容摘要


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。

全文目录


中文部分  5-69
  摘要  5-6
  Abstract  6-10
  1 绪论  10-20
    1.1 引言  10
    1.2 课题来源及研究意义  10-11
    1.3 国内外的研究现状及其发展动态  11-19
      1.3.1 电导率法  11-12
      1.3.2 基于微波遥感技术的盐度检测法  12-13
      1.3.3 基于光纤传感技术的盐度检测法  13-18
      1.3.4 其他方法  18-19
    1.4 本论文的主要研究内容  19-20
  2 光电法盐度检测原理  20-24
    2.1 传感原理介绍  20-21
    2.2 数学模型  21-23
    2.3 遇到的问题  23
    2.4 本章小结  23-24
  3 原理样机的设计与制作  24-47
    3.1 传感探头结构设计  24-32
      3.1.1 光路分析  24-28
      3.1.2 仿真分析  28-30
      3.1.3 参数计算  30-32
    3.2 各组成器件  32-40
      3.2.1 半导体激光器  32-35
      3.2.2 直角棱镜及清洁技术  35-36
      3.2.3 滤光片与遮光器  36-37
      3.2.4 PSD器件  37-39
      3.2.5 水密插头与海底电缆  39
      3.2.6 透析膜  39-40
    3.3 电子线路设计  40-43
      3.3.1 光源驱动电路  40-41
      3.3.2 PSD信号调理电路  41-42
      3.3.3 模拟信号采集电路  42-43
    3.4 软件程序  43-45
    3.5 光路调节  45-46
      3.5.1 水平方向  45
      3.5.2 垂直方向  45
      3.5.3 二维方向  45-46
    3.6 本章小结  46-47
  4 实验与分析  47-59
    4.1 PSD的标定测量  47-49
    4.2 盐度的标定测量  49-50
    4.3 对比实验  50
    4.4 稳定性测量  50-51
    4.5 影响因素测量  51-55
      4.5.1 背景光影响  51-52
      4.5.2 温度影响  52-54
      4.5.3 扰动影响  54-55
    4.6 系统误差分析  55-58
      4.6.1 理论参数的误差  55
      4.6.2 光源波长的影响  55-56
      4.6.3 PSD器件的影响  56-58
      4.6.4 数据采集电路的影响  58
      4.6.5 其他方面的的影响  58
    4.7 本章小结  58-59
  5 总结  59-62
    5.1 研究总结  59
    5.2 改进  59-60
    5.3 展望  60-62
  参考文献  62-65
  致谢  65-66
  附录A 腔体加工图  66-67
  附录B 电路原理图  67-68
  个人简历  68
  发表的学术论文  68-69
英文部分  69-136
  Abstraet  70-74
  1. Preface  74-86
    1.1. Background  74
    1.2. Source of the subject and its significance  74-75
    1.3. Trends and status of the research in China and abroad  75-84
      1.3.1. Conductivity method  75-77
      1.3.2. Microwave remote sensing method  77-78
      1.3.3. Optical fiber sensing method  78-84
      1.3.4. Other Methods  84
    1.4. Main research content of the subject  84-86
  2. Measurement principle of photoelectric method  86-91
    2.1. Introduction to sensing principle  86-88
    2.2. Mathematical model  88-89
    2.3. Major problem  89-90
    2.4. Summary of this chapter  90-91
  3. Design and manufacture of prototype  91-117
    3.1. Structural design of sensing probe  91-100
      3.1.1. Optical path analysis  92-95
      3.1.2. Simulation Analysis  95-98
      3.1.3. Parameter calculation  98-100
    3.2. Composition devices of the sensor  100-109
      3.2.1. Semiconductor laser  100-104
      3.2.2. Right-angle prism and clean technology  104-105
      3.2.3. Filter and Shutter  105-106
      3.2.4. PSD  106-108
      3.2.5. Dialysis membrane  108-109
    3.3. Design of electronic circuit  109-112
      3.3.1. Driving circuit of light source  109-110
      3.3.2. PSD signal conditioning circuit  110-111
      3.3.3. SCM acquisition circuit  111-112
    3.4. Software design  112-114
    3.5. Optical path adjustment  114-116
      3.5.1. Horizontal direction  114-115
      3.5.2. Vertical direction  115
      3.5.3. Two-dimensional direction  115-116
    3.6. Summary of this chapter  116-117
  4. Experiment and analysis  117-130
    4.1. Calibration and measurement of PSD  117-119
    4.2. Calibration and measurement of salinity  119-120
    4.3. Stability measurement  120-121
    4.4. Influence factor measurement  121-125
      4.4.1. The influence of background light  121-122
      4.4.2. The influence of temperature  122-124
      4.4.3. The influence of seawater fluctuation  124-125
    4.5. Error analysis of the system  125-129
      4.5.1. The error of theory parameters  125-126
      4.5.2. The wavelength influence of light source  126
      4.5.3. The influence of PSD  126-128
      4.5.4. The influence of data acquisition circuit  128
      4.5.5. The influence of other aspects  128-129
    4.6. Summary of this chapter  129-130
  5. Summary  130-134
    5.1. Research summary  130
    5.2. Improvements  130-132
    5.3. Prospects  132-134
  References  134-136

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 地球科学仪器 > 海洋调查、观测仪器 > 水文观测仪器 > 海水盐度测量仪器
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