（机械电子工程专业论文）深海smart+sensor测控系统开发研究.pdf

摘要 原位观测技术芷越来越多的应用在海洋研究上。将在线式化学传感器经过封 装由载人深潜器带到深海去观测热液及热液扩散流的环境的技术已经得到多次 成功的应用。深海s m a r ts e n s o r 即是在这种背景下产生的一种应用于深海的携带 化学物理传感器的实现长期定点的原位观测系统。 与传统的化学物理观测系统相比，深海s m a r t s e n s o r 最大的特点是将流动注 射技术应用到深海领域，克服化学传感器在无维护条件下的使用寿命限制，实现 深海的长期观测。它不仅具有基本数据采集功能，而且还有使用流控元件搭建的 化学传感器自维护系统，并携带维护化学传感器长期工作所必需的标准液。在化 学传感器的性能下降到测量精度要求以下之前，启动根据化学传感器的特性要求 事先制定自维护程序，恢复化学传感器的性能。 本文的内容是深海s m a r ts e n s o r 的测控系统开发研究，主要包括传感器数据 采集系统和化学传感器自维护控制系统两部分。从剖析深海s m a r ts e n s o r 的原理 及工作流程、所携带传感器和自维护系统流控元件的工作原理出发 然后对依据 这些原理进行测控系统电路和程序设计的过程作了介绍；并对s d 卡在原位观测 系统中的应用和基于l a b v i e w 的系统上位机软件开发作了较详细的阐述；最后 通过试验验证了深海s m a r ts e n s o r 测控系统的每个环节的正常工作 本文所研究的深海s m a r ts e n s o r 是对深海长期定点原位观测的一个尝试，尚 处在原理性实现为目的的初级阶段，各项指标还有很大的发展空间，所以在流控 系统设计的各个环节中均将可扩展性作为重要指标。在传感器的数量和种类、数 据存储器的大小、自维护系统的流控元件驱动接口以及上位机软件的功能等方面 都为下一步的完善留下了拓展空问。 关键词原位深海长期数据采集s d 卡l a b v i e w a b s t r a c t i n - s r uo b s e r v a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yu s e di no c e a n i cs c i e n t i f i cr e s e a r c h e n c a p s u l a t e dc h e m i c a ls c n s o l sh a da l r e a d yb e e ns u c c e s s f u l l yc a r r i e dt od e e ps 船i n o r d e rt oo b s e r v et h eb y d r o t h e r m a lf l u i do rt h ed i f f u s ep l u m e b yt h ed e e p s u b m e r g e n c ev e h i c l e a n ds m a r ts e n s o ri sak i n do f l o n g “脚o b s e r v a t i o ns y s t e m c a r r y i n gc h e m i c a la n dp h y s i c a ls e n s o r st oc a t yo u ti n - s i t uo b s e r v a t i o ni nd e e ps e a i nc o m p a r i s o nw i t ht r a d i t i o n a lc h e m i c a ls e n s o r s , s m a r ts e n s o ra p p l i e df l o w 硒e c t i o na n a l y s i si n t od e e ps e a i ti sa b l et og e to v e rt h et i m el i m i to f t h ed e 印s e a a p p l i c a t i o no f c h e m i c a ls e i l s o r s ，a n do b s e r v ef o ral o n gp e r i o d s m a r ts e n s o ri sm o r o t h a nad a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n t i te s p e c i a l l yh a sas e l f - c a l i b r a t i o ns y s t e mf o r c h e m i c a l n s o l sw h i c hi sb u i l tb yf l o wc o n t r o le l e m e n t s , a n dc a r r i e se n o u g hs t a n d a r d b u y e rs o l u t i o nn e e d e di ns e l f - c a l i b r a t i o n i tw i l lk e e po b s e r v i n gu n t i lt h ev e r a c i t yo f t h ec h e m i c a l n s o l sf a l lb e l o wt h er e q 咖e n to f o b s e r v a t i o n , a n dt h e ni tw i l ls t a r t u pt h es e l f - c a l i b r a t i o np r o g r a mw h i c hi sp r o g r a m e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f t h ec h e m i c a ls e n s o r s 1 1 坞c o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r et h er e s e a r c h e so nt h ed a qa n dc o n t r o l s y s t e mo f s m a r ts e n s o r i tm a i n l yi n c l u d e sd a qs y s t e ma n ds e l f - c a l i b r a t i o nc o n t r o l s y s t e mo f t h ec h e m i c a ls e l l s o r s 1 1 ”p r i n c i p l ea n dt e c h n i q u ef l o wo f s m a r ts e n s o r , a n dt h et h e o r i e so f t h es e i l s o r sa n dt h ef l o wc o n t r o le l e m e n t sa r cg i v e ni nt h et i mp a r t b a s e do nt h et h e o r i e sa n dp r i n c i p l e sa b o v e , t h ed e s i g no f t h ec i r c u i ta n dt h es o f t w a 聆 o np ci si n t r o d u c e di nt h em i d d l ep a r to f t h i sd i s s e r t a t i o n m o r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o n s o f t h em i c r o c o n t r o l l c ra p p l i c a t i o no f s dm e m o r ya n dt h es o r w a r ed e s i g nw i t h l a b v i e wa 糟g i v e ni ns e p a r a t ec h a p t e r s s o m ee x p e r i m e n t sa r cg i v e na tl a s tt op r o v e t h a te a c hp a r to f t h ed a qa n dc o n t r o ls y s t e mo f t h es m a r ts e n s o ri sa b l et ow o r kw e l l s m a r ts e n s o ri nt h i sd i s s e r t a t i o ni sa na t t e m p tt ot h el o n gt e r mi n - s i r e o b s e r v a t i o ni nd e e ps e a i ti ss t i l li n t h ef i r s tp h a s ew h i c hm e a n st h em a i nt a r g e t sa l e n o ts t r i c te n o u g ha n dm a yb ei n c r e a s e dl a t e r s os p a c ef o re x p a n s i o ni sr e s e r v e d d u r i n gt h ed e s i g n , s u c ha st h ev a r i e t ya n da m o u n to f s e n s o r s , v o l u m eo f t h ef l a s h m e m o r y , i n t e r f a c eo f t h ef l o wc o n t r o lc o m p o n e n t s ，f u n c t i o n so f t h es o f t w a r eo np c a n d8 0 0 i l k e yw o r d s ：i n - s i m , d e e p - s e a , l o n g - t e r m , d a q ，s dm e m o r yc a r d , l a b v l e w n 0 k；kj 学号逸生盟必 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎鎏盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 闻易 签字e l 期：侧年莎月l7e l j， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅本人授权澎鎏叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名； 闱荔 导师签名：你 签字日期：沙口舌年乡月t1 日 签字日期：莎咖z 年占月，? 日 学位论文作者毕业后去向： i 作单位：托州铬源电孑青喂宙司 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论帚一早三；百下匕 1 1 深海原位观测的背景和意义 2 l 世纪是人类开发海洋、利用海洋的世纪。覆盖地球表面积7 1 的海洋， 不但蕴藏着丰富的资源，而且作为地球表面面积最大的自然环境单元，与人类生 活的各个方面息息相关。对海洋的积极探索将能够为人们普遍关心的一些全球性 问题，如地球上生命的起源、新药品、新资源、新能源、人类的生存环境和社会 的可持续发展等问题的最终解决，提供理想方案f ”。海洋中，尤其是深海蕴藏着 巨大的、丰富的资源，是人类生存的最后的资源宝库硎f 3 1 1 4 1 。包括石油、天然气、 金属结核1 5 1 ，热液硫化物甜、天然气水合物7 1 1 引、热液矿藏及深海生物基因资源等 【9 l 。 深海资源研究开发i lo l 的第一阶段是深海资源的勘探，勘探方法有直接方法和 间接方法。直接方法有探测( 载人潜水器、水下照相机、水下电视等) 和取样( 深 海钻探、柱状取样等) ，这些方法往往不能用来发现异常，因此海底勘探中更为 常用的是间接方法，它利用精度很高的仪器来探测海底的环境状况，如水声探测 川、地球化学探测等，它的探测面广，使用方便，是深海资源研究开发中不可缺 少的方法这些仪器都使用特定的传感器，传感器将深海环境参数转换为电量， 通过电路系统的测量来实现深海资源的探测1 2 1 1 1 3 1 t 1 4 1 1 5 1 f 1 6 l j 7 1 。 在以往的海洋地质，海洋化学及海洋环境等领域，大都使用采样分析的方法 观测海水成分的变化。采样分析一方面需耗费大量的人力物力，同时分析数据不 具有实时性，通常在获得数据时考察船已离开作业海域，无法对有价值的信息作 进一步验证此外由于样品采集、储存过程所处环境的改变，其成分难免会有不 同程度上的变化。如温度压力变化导致溶解气体的逸失，溶解氧含量变化使变价 元素价态改变，过渡金属元素的溶解一沉淀平衡随p h 变化而移动。在深层海水 的采样过程中，这些变化是不能忽略的。因此可以认为，传统的采样方法难以胜 任现代深海科学研究的要求 i s l 1 9 l f 2 0 1 。 和采样分析相比，海洋原位探测技术是对传统海洋学研究方法的一次重大突 破。在线式化学传感器的使用最大限度地减少了环境变化所引起的样品成分改 变，使得深海环境的实时、原位和长期自动观测成为可能，并大大降低了海上作 业的时间和费用【2 ij 本课题研究长期原位探测的重要应用是实现对热液口的原位探测。 迄今为止，在地球不同地质背景的海底都有深海热液发现。海底热液涌出的 浙江大学硕士学位论文 富含硫化物、金属元素和挥发分的流体，滋养着独特的微观和宏观生物群落，包 括各类细菌和无脊椎动物。海底热液生物群具有重要的科学意义和实际应用价 值海底热液喷出的絮状微生物集合体，被认为是观察深部生物圈的窗口。在海 底热液喷口，温度最高可达3 5 0 4 0 0 ，喷出的热水为强酸性，强还原性，并 溶解了高浓度的h 2 s 、重金属等毒性成分，其物理化学场与周边正常海水之间有 极陡的梯度。因此，热液口附近的微生物包含了种类繁多的生态类别，比如嗜寒 的、嗜温的、嗜热的，耐压的、压敏的等各种习性不同的微生物。这些微生物以 及和它们共生的宏观生物是地球上尚未开发利用的基因宝库，其中，嗜压微生物 在食品加工领域具有实用价值，古菌类微生物将有可能在湿法冶金领域发挥作 用。 深海热液喷口复杂多样的生态系统显然和它们所处的生态环境有关。环境因 素是认识这些生命形式的与生态系统的关键之一，但迄今这一领域还知之甚少 对于研究热液生物体附近活动性很强的介质性质而言，原位探测是最有效的 手段。原位探测使我们能够定量研究不同生物群体生命特征参数在微观尺度上的 差别，因此它对于认识生物群与生态环境之间的相互作用有十分重要的意义。和 采样分析相比，针对深海生态环境的原位探测技术是对传统海洋学研究方法的一 次重大突破。 但是，目前能在如此高的温度和压力下进行原位探测的装置很少，我们需要 获取更多的化学参数的原位探测的数据。深海热液体系研究和深部生物圈研究都 离不开原位化学传感器。高性能的原位化学传感器是一种通用性较强的技术平 台，在环境检测、火山与地热研究，以及高温高压设备实时检测等领域具有广泛 的应用前景。 相对于国外热液口化学传感器和各式采样器的迅猛发展和广泛应用，我国的 海洋科考装备技术还比较落后。这种现状已严重阻碍我国海洋科学事业的发展， 尤其是在热液地区的科学研究方面。 目前国内国外所研究的各种化学探头均无法实现长期观测的要求，为了准确 的获得深海热液原位化学参数的模型，了解其特殊生物圈存在的条件与必然性。 进行深海热液原位长期化学观测是必须的。 1 2 原位观测器的国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 各种在线式化学传感，如基于流动注射技术( f l o wi n j e c t i o na n a l a y s i s ，f i a ) 2 浙江大学硕士学位论文 的海洋在线化学传感器和可携带多种物理化学传感器的多参数探测器【2 2 1 均已用 在浅海的探测中，他们多数搭载在拖体上工作，如图所示。 图1 1 用f 浅海的各种在线式化学传感器 发达国家在对东太平洋和大西洋洋中脊热液体系的勘查与研究中，较多地使 用了更为先进的现场快速分析系统( 又称在线式化学传感器，o n - l i n ec h e m i c a l s e n s o r ) 1 2 3 1 此类系统与原位观测系统类似，一般也都集成有温度、浊度传感器 和不同的化学探头。它们并非放置在某个已经发现的异常点附近，而是搭载在 c t d 剖面仪或深海拖曳体上，与水样采集器联合使用。现场快速分析系统能及 时发现由热液活动引起的扩散流异常，并将这些异常情况通过长电缆以数字电平 的形式实时的传输给科学考察船中的科学家，科学家通过对信号的分析，了解海 底的水样性质，从而达到发现深海异常的目的。 美国等发达国家最近在洋中脊热液的原位观测领域取得了重要进展。k d i n g 和w e s e y f r i e d ，j r ( 1 9 9 9 ) 首次在高达3 7 0 c 的温度【1 3 l 【1 9 1 成功探测了热液流体的 主成分。m l i l l e y ( 2 0 0 0 ) 报道了同一地区类似的原位连续探测，后者的探测成功 地延续了一个月l 。他们使用的探测器有两种。一种是安装在载人深潜器或遥控 机器人( r o v ) 上，由机械手把探头直接插入热液喷口：另一种是能独立工作的 原位探测器，由载人深潜器安放在喷口附近适当位置，对热液活动进行长期连续 观测。原位探测器的开发研制，已成为美国海洋科学重点资助方向之一。美国航 空局( n a s a ) 对原位探测器的进展给予高度关注，并认为高性能的原位探铡器 有可能在未来的外星生命探测中发挥重要作用。此外，不应忽视原位探测器的潜 在军事用途。 另外，综合大洋钻探计划( i n t e g r a t e do c e a nd r i l l i n gp r o g r a m , 缩写为i o d p ) 使用原位传感器在i o d p 的钻探的同时探测钻孔处的数据，如下图所示 浙江大学硕士学位论文 图1 2i o d p 的钻探时使用的原位传感器 1 2 2 国内研究现状 我国在深海探测技术领域与发达国家存在较大差距。9 0 以上的深海作业设 备及探测系统都是进口的，不符合我国作为政治和领海大国的应有地位。近年来， 我国加大海洋资源研究的投入，取得了不少的成果，研究成功的某些设备已经达 到世界领先水平，如由国家8 6 3 计划委员会立项，国家海洋技术中心自主研发的 高精度c t d 剖面仪1 2 5 2 6 1 1 2 7 1 ，已经进入世界先进c t d 剖面仪行列。 为了进一步缩短与发达国家在深海探测技术领域的差距，我国的一些科学家 积极参与到发达国家的科学考察活动中，通过合作、访问或是直接学习、借鉴经 验的方式，加快我国在该领域的前进步伐。2 0 0 1 年1 2 月初至2 0 0 2 年2 月底， 导师陈鹰教授受国家留学基金管理委员会国家重点实验室主任及系主任专项基 金的资助，赴美国进行了访问研究，参加美国国家自然科学基金委组织的东太平 洋9 0 n - 2 1 0 n 隆起地区海底热液科学探险考察活动，活动代号为a d v e n t u r e 9 1 2 s 1 。 陈老师在探险考察活动的过程中，做了很多深海探测方面的工作，成功地实现了 从海面到海底的一个柱面上的化学量的测量，同时带回了很多第一手的科研资料 和宝贵的经验。此次下潜，是第一位中国科学家乘坐a l v i n 载人深潜器下潜到 2 5 0 0 m 深处实地考察了海底热液地区，因此具有深远的意义。2 0 0 4 年5 月，导 师杨灿军携带自行研发的深海数据采集系统( d a t a l o g g e r ) ，登上美国a t l a n t i s 号 科考船，进行深海探测。2 0 0 5 年8 月，实验室张佳帆同学再次携带实验室研发 的多项科考设备登上a t l a n t i s 号科考船进行深海探测，包括d a t a l o g g e r 、热液口高 温帽、保气采样器1 2 9 j 。 4 浙江大学硕士学位论文 图1 3 实验室自主开发的深海数据采集器 1 3s m a r ts e n s o r 的研究目的 深海s m a r ts e n s o r ( 下文简称s m a r ts e n s o r ) 即深海智能型物理化学传感器原 位观测系统。它是一种应用于深海的携带化学物理传感器的实现长期定点的原位 观测系统。目的是为了实现对深海异常环境进行长期定点的原位观测，测量由于 环境变化引起的化学、物理量的变化，并能够将大量的传感器数据存储起来，这 些数据可以供科学工作者作进一步的分析，从而实现对这些异常环境进行长时间 的科学研究、考察的目的。 要在深海实现化学传感器的长期定点的原位观测，就必须克服化学传感器在 无维护条件下的使用寿命限制。s m a r ts e n s o r 将流动注射技术应用到深海领域， 使用流控元件搭建化学传感器的自维护系统，并随系统携带维护化学传感器长期 工作所必需的标准液，在化学传感器的性能下降到测量精度要求以下之前，启动 根据化学传感器的特性要求事先制定自维护程序，恢复化学传感器的性能，从而 实现化学传感器在深海的长期观测。 本课题的具体目标是研制出一套可长期定点工作于热液口或热液口附近生 物区环境下的，包括化学传感器自维护系统的物理、化学量观测系统。第一期设 计指标为： 1 ) 系统工作时间：半年； 2 ) 系统最大使用深度：4 0 0 0 m ； 3 ) 系统环境温度：0 3 0 c ( 第二期考虑高温热液环境) ； 4 ) 系统总质量( 空气中) ：不大于5 0 k g t 5 ) 总体外形尺寸：不大于1 0 0 0 5 0 0 x 3 0 0 m i n t 6 ) 供电方式：自带电池； 7 ) 观测量：温度、p h 值、s 2 ； 8 ) 与潜器通讯方式：i c l t 3 0 1 ； 浙江大学硕士学位论文 第一期的设计以原理实现为目的，各项指标要求并不高，但需在系统设计的 各个环节中均将可扩展性作为重要指标，为进一步的完善留下拓展空间。 1 4s m a r ts e n s o r 的关键技术分析 深海原位观测传感器系统是一个相对复杂的系统，尤其是它的工作环境是在 数千米深的海底，恶劣的环境对深海原位观测传感器系统的设计提出了许多难 题。具体来说，本课题的技术难点有以下几点。 1 4 1 深海环境下的封装设计 深海热液口环境的特点是高温、高压和海水腐蚀，这对流控元件的选型、标 准液的储藏与废液的回收、电路腔与电极腔的设计都提出了严峻的要求。系统所 选用的流控元件均不是专用于深海高压环境的，现要将其放置于高压油腔中使 用，在这种环境下，如何保证流控元件的正常工作是个难点。 1 4 2 电路的低功耗及小型化设计 要在深海环境实现长期定点的原位观测，电源问题就不得不成为一个关键问 题。因采用电池供电，要保证长期工作，除了电池组做大，电路的低功耗设计也 格外重要。本实验室在“十五”期间自主研发的深海数据采集系统d a t a l o g g e r 的 低功耗设计已做得相当成功，s m a r t s e n s o r 的数据采集系统可根据其成功的经验 延续这一优点，但整个系统的绝大部分功耗是在流控元件的驱动电路上，因此驱 动电路的低功耗设计至关重要。 电路板面积的扩大意味着其密封腔体体积的扩大，从而大大增加系统的重 量，对深海机电装备来说是非常不利的。因此必须尽可能将电路板设计得小型化， 大部分元件尽量选成贴片形式，同时线路板的布置尽量紧凑。在不影响电路性能 的前提下，将电路板控制在较小面积内。 电路板和电池组是放在耐高压的密封电路腔内的，通过电路的低功耗及小型 化设计，可以大大减小电路腔的体积，降低系统的造价和试验费用。 1 4 3 系统的可靠性 深海环境不同于实验室，再加上长期放置于深海热液口或热液口附近生物区 浙江大学硕士学位论文 的复杂未知环境，变化不可预知，细小渗漏、微生物、硫化物的生长等因素都可 能会成为影响系统稳定工作的因素。另外，长期的数据采集生成大量的数据，这 些数据在记录或传输时也存在安全风险。大至方案的制定，小至程序或结构设计 的一个细节，都必须贯穿着保证系统的可靠性的原则。此外，还必须通过大量的 试验测试每个环境的工作状况。这样才能保证系统在海试或实际应用中的安全稳 定的工作。 1 4 4 系统的可扩展性 课题目前尚处在原理性实现为目的的初级阶段，各项指标要求不高，还有很 大的发展空间，所以可扩展性也是贯穿于整个设计的重要原则。所有软硬件设计 都要做到模块化设计，接口要做到标准化，为下一步的完善或添加子系统留下了 拓展空间，并可在不同任务下重新配置系统，做到具备一定范围内的通用性。 1 4 5 观测的准确性 系统目的是为了实现对深海异常环境进行长期定点的原位观测，环境条件相 对未知，所以观测数据的准确性是非常重要的。在数据采集电路的设计方面，对 每一个传感器通道都必须进行科学的通道校正另外本系统又牵涉到化学传感器 长期使用的维护，化学传感器的冲洗、浸泡效果如何也是未知数。所以如何判断 与保证观测的准确性也是个难点，也必须通过大量的实验来保证观测的准确性。 1 5 本文研究内容 对本论文来说，研究的内容主要是确定初阶段原型系统的实现方案及整个测 控系统的设计。具体来说本文所涉及的内容主要从以下几个方面展开。 s m a r ts e n s o r 测控系统理论分析。了解s m a r ts e n s o r 的原理和工作流程，是 设计s m a r ts e n s o r 测控系统的基础。此外还对传感器工作原理、传感器和自维护 系统流控元件的工作原理进行了理论分析。 s m a r ts e n s o r 测控系统电路及程序设计。电路设计是s m a r ts e n s o r 的测控系 统的核心。电路的作用是将所携带的传感器的采集的信号存储在自带的存储器 中；对传感器的自维护系统实现简单的控制；提供命令发送与数据检测的通信接 口以及一些必须的外围器件( 如时钟、电源管理等) 支持。而可靠的单片机软件 以及完善的通信协议也是测控系统必不可少的内容。 7 浙江大学硕士学位论文 基于s d 卡的大容量数据存储。长期的原位观测的数据量非常大，对存储器 的安全性要求也高。传统的原位观测所得数据的存储一般采用f l a s h 芯片直接焊 接在电路上，这种f l a s h 芯片一般容量不超过8 m b y t e s ，且将数据从f l a s h 中导出 一般采用常用的r s 2 3 2 通信接1 ：3 ，速度慢，耗时长，且传送过程中容易出错。因 此，s m a r ts e n s o r 采用可插拔式的s d 存储卡。具有耐用、可靠、安全，容量大、 体积小、便于携带和兼容性好等优点。而且s d 卡可以通过市面上很普遍的u s b 接口的读卡器将存储的观测数据读出，省略了耗时且不安全的数据导出过程，价 格也便宜，非常合适用于做长期的原位观测的数据存储器。但用单片机实现s d 卡上的数据读写，尤其使用f a t l 6 文件系统进行文件操作需要一套可靠高效的软 件支持。因此基于s d 卡的大容量数据存储也是本文的主要研究内容。 基于l a b v i e w 的上位机软件设计。s m a r ts e n s o r 的上位机程序的功能应包 括系统测试、在线监控和数据分析。可以在开发阶段为系统调试提供一个方便的 工具；在海试时监控其工作情况；在工作完成后对数据进行分析。l a b v i e w 是 一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境，是一种图形化编程语言。 l a b v i e w 自带的通信端口、表格与图形显示与数学计算开发工具包可以为s m a r t s e n s o r 的上位机程序开发提供有力的工具，大大减小了开发周期。 s m a r ts e n s o r 测控系统的试验研究。分传感器数据采集系统和化学传感器自 维护控制系统两部分的试验研究。传感器数据采集系统试验有s d 卡的读写试验、 数据采集试验和通道特性的测量。化学传感器自维护控制系统试验包括流控元件 的驱动试验和流控系统时序控制试验。通过试验验证s m a r ts e n s o r 测控系统的每 个环节的工作情况。 1 6 本章小结 本章首先介绍了海洋中有丰富的资源，论述了深海原位观测的重要意义，从 原位观测器的国内外研究现状出发，确定课题的研究目的是研制出一套可长期定 点工作于热液口或热液口附近生物区环境下的，包括化学传感器自维护系统的物 理、化学量观测系统，并给出一期设计的主要技术指标。然后分析了这套s m a r t s e n s o r 系统的关键技术包括深海环境下的封装设计、电路的低功耗及小型化设 计、系统的安全性和观测的准确性。最后给出了本文的研究内容，即确定初阶段 原型系统的实现方案及整个测控系统的设计，并简单介绍了具体的几个部分工作 内容，详细内容将在后续章节中阐述。 s 浙江大学硕士学位论文 第二章s m a r ts e n s o r 测控系统理论分析 2 1 引言 了解s m a r ts e n s o r 的原理和工作流程，是设计s m a r ts e n s o r 测控系统的基础。 了解了原理和工作流程，才能确定控制方式，此外还应对传感器工作原理、传感 器和自维护系统流控元件的工作原理进行理论分析。传感器的工作原理是设计传 感器数据采集电路的基础，也是采集后数据分析的依据；而通道的拟合是保证观 测准确性的必要条件，所以也必须了解曲线拟合的原理；自维护系统中流控元件 的工作原理是设计驱动电路的基础。只有对这些原理理解清楚才能更好的进行流 控系统的研究。 2 2s m a r ts e n s o r 原理及工作流程 要设计s m a r ts e n s o r 的测控系统。首先必须了解s m a r ts e n s o r 的原理。并根 据原理设计工作流程，确定控制方式。测控系统要在s m a r ts e n s o r 的原理及工作 流程的基础上设计，其调试也要以能否实现其工作流程为最主要指标。 2 2 1s m a r ts e n s o r 原理 s m a r ts e n s o r 的目的是将使用化学传感器( 又称化学电极) ，辅以物理传感器 对深海环境进行长期定点的原位观测，观测数据存储在自带的数据存储器上。 化学电极的是根据待测量的化学性质而制成的电化学传感器，是建立在化 学反应基础上的传感器，因而有个使用寿命的问题。普通商用或实验室环境解决 这一问题往往采用更换新的电极或当电极使用一段时间以后将其拆下并对其进 行维护、再标定。但在深海环境中这两种方法都不适用，s m a r ts e n s o r 采用定期 对化学电极进行在线维护的方法以延长其使用寿命。深海的高压、海水的强腐蚀、 热液1 3 的高温、混浊等等恶劣的环境条件使得实现在线维护功能比实验室里要复 杂得多其结构原理图如下图所示 9 浙江大学硕士学位论文 76 图2 1s m a r ts e n s o r 结构原理图 s m a r ts e n s o r 系统包括弹性容腔i 、弹性容腔、标准液囊、废液囊、电路腔 和i c l 线圈( 电磁感应式通信线圈) 弹性容腔i 内设置有阀l 、阀5 和电极腔， 电极腔内安装有电极；弹性容腔内设置有阀2 、阀3 、阀4 和泵；电路腔内置 有电路板和电池。管路连接关系：阀l 的入口与海水进水管连接；电极腔的入口 分别与阀l 的出口、阀2 的出口以及阀3 的出口相连；电极腔的出口分别与阀5 的入口以及泵的入口连接；阀5 的出口与海水相通；阀2 的入口与海水相通；阀 3 的入口与标准液囊相连；阀4 是一个两位三通阀，它的入口与泵的出口连接， 它的一个出口与海水相通，另外一个出口与废液囊相连。阀1 、阀5 、阀2 、阀3 、 阀4 、电极、泵以及i c l 线圈分别与电路腔内的电路电气连接。 弹性容腔i 和弹性容腔内分别贮满绝缘油，且容积可以随环境压力增大而 减小，可以保持腔内压力与海水环境压力相同，标准液囊和废液囊分别由弹性橡 胶材料制作，以维持标准液囊内压力与海水环境压力相同，废液囊内压力与海水 环境压力相同，实现所有电磁阀、泵和电极腔以及连接管路处在一个内外压大致 相等的环境下。 所有阀均为电磁阀。阀l 是待测海水到电极腔的进口阀；阀5 是电极腔内待 测海水的排放阀；阀2 是清洗电极腔所用海水的进口阀；阀3 是标准液的进口阀； 阀4 是废液排放阀。阀l 和阀5 是常开阀；阀2 和阀3 是常闭阀；阀4 是一个两 位三通阀，其两个出口分别通向海水和废液囊，断电时原始状态为通向海水侧 泵是将待测海水、清洗海水或标准液囊中的标准液抽到电极腔的增压泵。 根据s m a r ts e n s o r 的工作原理，用p r o - e 做出其三维造型图如下： 浙江大学硕士学位论文 图2 2s m a r ts e f l , s o r 三维造型图 2 2 2s m a r ts e n s o r 工作流程 为了实现在线维护功能，系统具有4 个工作状态：采样、待机、冲洗和标定。 其状态流程图如下。 图2 3s m a r ts e n s o r 状态流程图 采样时开启泵，关闭阀5 ( 通电) 避免电极腔内海水污染待测海水，其他阀 处于初始状态( 断电) ，将待测海水从进水管经阀1 抽入电极腔中，再经阀4 排 至较远处海水中。 待机时泵停机，各阀处于初始状态( 断电) 。利用海水的自流，电极检测电 极腔内的待测海水的化学量与温度，并将观测所得数据保存。 冲洗时开启泵，关闭阀l 、阀5 ，开启阀2 ，阀3 处于关闭状态，阀4 处于 断电状态，海水侧导通。远处较洁净海水通过阀2 ，经泵抽入电极腔中，对电极 进行自维护冲洗，冲洗液经阀4 排放至海水中。 标定时开启泵，关闭阀l 、阀5 和阀2 ，开启阀3 ，阀4 处于通电状态，废 浙江大学硕士学位论文 液囊侧导通。标准液通过阀3 ，经泵抽入电极腔中，对电极进行自维护标定，废 液经阀4 排放至废液囊中。 泵与各阀的通断电状态表如下 阀l阀2阀3阀4阀5泵 采样o f f ( 开) o f f ( 闭)o f f ( 闭) o f f ( 海水)o n ( 闭)o n ( 开) 待机o f f ( 开)o f f ( 闭)o f f ( 闭)o f f ( 海水)o f f ( 开)o f f ( 闭) 冲洗o n ( 闭) o n ( 开) o f f ( 闭)o f f ( 海水)o n ( 闭)o n ( 开) 标定o n ( 闭) o f f ( 闭) o n ( 开)o n ( 废液)o n ( 闭)o n ( 开) 表2 1 泵与各阀的状态表 系统放入待测海水环境后，首先进入采样状态，更新电极腔中的待测海水。 采样完毕，系统进入待机状态，以降低系统的功耗，此时电极腔内的海水依靠海 水的自流来更新，因管路阻力的影响流动较缓慢，间隔一段时间后需重复采样状 态，再次更新电极腔内的待测海水。经“采样待机专采样专待机”多次循 环后，电极中的化学传感器因时间关系开始逐渐失效，此时系统进入冲洗状态， 用较洁净的海水冲洗化学传感器，冲洗一段时间后进入标定状态，用储藏在标准 液囊中的标准液冲洗化学传感器，达到标定电极的效果。标定完成后再重复“采 样专待机专采样专待机”的循环，直到下一次的自维护冲洗、标定。通过定 期执行维护程序，对化学电极的使用寿命进行有效的延长，以实现长期定点的原 位观测。 2 3 传感器工作原理 s m a r ts e n s o r 主要是使用化学传感器和物理传感器对深海进行观测。本文的 内容是针对以s m a r ts e n s o r ( 一期) 所使用的p h 和s 2 。离子选择电极为代表的化 学传感器和以p t l 0 0 型金属热电阻、y s i 的b 1 0 0 0 0 型商用热敏电阻以及k 型 热电偶三种温度传感器为代表的物理传感器而研究的。 2 3 1 化学传感器 在深海热液成分研究及热液扩散流( d i f f u s ep l u m e ) 的勘查上，较多的使用 了各类化学传感器【1 9 l 【2 0 j 1 2 1 】，其探头一般使n e r s t 型离子选择电极( i o ns e l e c t i v e e l e c t r o d e ，i s e ) ，这是因为离子选择电极性能可靠、体积小巧、响应迅速、灵敏 度高且信号易于传输与储存。 离子选择电极的测量原理一般采用电位分析法，即利用电极电位和活( 浓) 1 2 浙江大学硕士学位论文 度的关系来测定待测物质含量，电极根据作用的不同可分为两大类；指示电极和 参比电极。所谓指示电极就是这一电极的电位与溶液中某种离子浓度的关系符合 能斯特方程式所谓参比电极是指电极电位稳定，电位值与待测物质的浓度无关 的电极【3 ”。 本文所研究的用于测量p h 和s 厶的离子选择电极共有3 根电极，其中 a g a g c i 为参比电极，a g a 9 2 s 为s 2 。的指示电极，i l ，i r 0 2 为p h 指示电极【3 2 1 【3 3 1 ， 如下图所示。 i 出 ：lr e f e r c c 根据能斯特方程 i r i r 0 2 电极上的电位： 蛾，坞2 一警t 悟 a g a 9 2 s 电极上的电位： 峨( = 一号等l g ( 口黔) 式中f 为法拉第常数，r 为气体常数，为水的活度，e o t p 为标准电位差， 这些值都可以通过查表获得。 a g a g c i 电极上的电位不受王r 和h 2 s 的浓度变化影响，所以可以通过测得 指示电极与参比电极的电位差来确定旷和h 2 s 的浓度。由此可得： 碑= - l g t h + 】 而s 玉的浓度需通过h 2 s 的在溶液中的离解平衡计算得出。海水平衡时，h 2 s 在溶液中存在如下离解平衡： h 2 s 营h + + h s - k l _ 【h 1 h s 阻2 s 】_ 1 3x1 0 4 h s - t ，矿+ s 知 耻m 【s 2 1 呻s - 7 1 1 0 1 5 其中k i ，k 2 分别为h 2 s 的第一，二级离解常数。 溶液中总硫浓度( s t ) 可以用下式表示： s t = 【s 2 1 ( 1 + m 2 k l k 2 + 【h 1 2 ) 可得出： 【s h = k , k 2 瞰2 s 】田r 】2 1 3 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 物理传感器 2 3 2 1 热电偶 两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶传感器是工业控制中使用 最多的温度传感器，它的工作原理是基于1 8 2 1 年发现的塞贝克效应，即两种不 同的导体或者半导体a 和b 组成一个回路，其两端相互连接，只要两结点处的 温度不同，一端温度为t ，另一端温度为t o ，则回路中就有电流产生，回路中存 在电动势，该电动势被称为热电势。当回路断开时，在断开处有一电势差e t ， 其极性和量值与回路中的热电势一致，如图所示。规定在冷端，当电流由a 流向 b 时，称a 为正极，b 为负极1 3 4 1 。 邛 t 如 图2 5 热电偶工作原理 s m a r ts e n s o r 所使用的k 型热电偶( 镍铬镍硅热电偶) 用来作为高温热液的 温度传感器，温度范围3 0 - 4 0 0 ( 2 ( 热液温度 0 5 h d 时上式可简化成： 艄* 鲁去 即在德拜温度附近的“高温”下，金属的电阻率与温度成正比。制作热电阻 的理想材料有铂、铜、镍等，其中最常用的金属热电阻为金属铂电阻i 。 s m a r t s e n s o r 所使用的金属铂电阻p t l 0 0 也是用来测量常温下的温度或作为 热电偶的冷端补偿( 替代热敏电阻) ，温度范围o 4 0 c 。p t l 0 0 在o 的阻值r 0 为1 0 0o ，对于i 级精度的p t l 0 0 ，凡允许误差为5 ：o 0 5 ，精度为( o 1 5 + 3 0 1 0 3 0 ，最大不超过0 2 7 。温度与阻值的关系式为： 足= 1 0 0 + 0 3 9 t 式中t 为摄氏温度。 浙江大学硕士学位论文 2 3 3 传感器数据采集通道特性的拟合 保证观测的准确性是s m a r ts e n s o r 重要的设计原则。除了选择精度、稳定性 良好的传感器外。还必须保证在测量传感器信号的过程中的准确性。 前面介绍的是传感器的化学( 物理) 量与电量的关系，但对于特定的数据采 集电路来说，每个a d 通道都有其自身的特性，还存在一个传感器输出电量与 a d 转换结果的关系。传感器信号调理电路设计的基本原则是在传感器的输出的 电量范围内，将传感器的输出的电量经过滤波、放大、电阻电压转换、电流电 压转换和频率电压转换电路等基本电路组合而成的信号调理通道转化成与a d 转换参考电压相匹配的电压值。在数据处理过程中，必须反过来将a d 的结果转 换成实际的传感器的输出的电量，再将电量转换成化学( 物理) 量。而在将a d 结果转换成实际的传感器的输出的电量过程中，不能仅仅通过信号调理电路设计 的理论计算公式，必须通过实际的试验测量得输入和输出的关系，在测量的时候 通过查表或拟合的通道特性公式计算得到传感器的输出的电量。s m a r ts e n s o r 使 用拟合得到的通道特性公式的方式计算得到传感器的输出的电量。 2 3 3 1 实验曲线拟合技术 科学实验后，常常需要从n