田 川，王 磊

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.華北電力大學，河北 保定071003）

剪切流探頭標定方法研究

田 川1，王 磊2

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.華北電力大學，河北 保定071003）

海洋湍流動能耗散率的獲取主要是依靠精細結構的流速剪切原始數(shù)據(jù)，而目前獲取數(shù)據(jù)的最為有效和可靠手段是使用專用的湍流測量儀器。翼型剪切流探頭作為儀器最為重要的部分，其性能決定了獲得數(shù)據(jù)的有效性和可靠性，為此，對其特性的研究具有重要的科學價值和工程意義。翼型剪切流探頭在標定和實際測量過程中，其數(shù)據(jù)獲取精度受很多因素的影響，為此，獲取準確的測量數(shù)據(jù)，提高目前的翼型剪切流探頭測量水平，開展探頭標定精度分析，測量過程的誤差研究，對提高海洋微結構研究具有重要意義。

動能耗散率；翼型剪切流探頭；探頭標定

湍流研究是海洋科學研究的重要領域，湍流對海水的動量、熱量和質量輸運有重要貢獻，對海水運動速度、溫鹽特性及水中溶解態(tài)、顆粒態(tài)物質的分布有顯著影響[1]。海洋湍流的研究對認知海洋如何工作，并且對于完善海洋模型（模型用于研究海洋運動如何改變，海洋與大氣之間如何相互影響）都具有關鍵性的作用。目前海洋災害和異常海洋現(xiàn)象均需要人們對海洋微結構湍流進行更準確、細致和深刻的認識。微結構的湍流運動是產(chǎn)生大洋環(huán)流等海洋宏觀現(xiàn)象的原動力，而海水精細結構的剪切流速數(shù)據(jù)是研究海水湍流運動規(guī)律和獲取動能耗散率ε的重要原始資料。湍流的動能耗散率ε是研究湍流特性和宏觀效應的重要參數(shù)，它的取值直接影響海洋學家對海洋微結構性質的認知。

1980年，Osbern和Crawford提出用于海洋測量的剪切探頭的標準工作原理、標定校準原理和校準方法[2]。1982年，Oakey第一次根據(jù)同時測量的溫度和剪切速度數(shù)據(jù)，給出湍流能量耗散率的計算方法，并根據(jù)當時的測量傳感器、測量過程和方法，分析了誤差產(chǎn)生的原因，并定量分析了平均運動速度、探頭標定誤差、電路采集誤差、電路頻率響應誤差以及信號噪音等各種因素的影響[3]。1994年，Mudge和Lueck等人對翼型剪切流探頭等傳感器的數(shù)字信號特性和處理進行了分析，并對由探頭產(chǎn)生的模擬信號后續(xù)處理方法進行了研究[4]，提出誤差估算方法。1997年，Lueck等人把剪切探頭應用到系泊潛標上，并分析了探頭的絕緣阻抗和電路噪聲對測量精度的影響，同時提出了在不同流速下剪切探頭標定誤差對整體測量的影響，不同波數(shù)下探頭的響應情況對測量結果的影響等，并給出了補償方法，達到了良好使用效果[5]。

1 翼型剪切流探頭工作原理

翼型剪切流探頭主要用于測量微結構的剪切流，其結構如圖1所示，主要包括殼體、翼型探針、懸臂梁、壓電陶瓷片、連接桿以及導線六部分。殼體主要用于保護探頭內部的懸臂梁、壓電陶瓷片等部分，同時可以保護懸臂梁與探針的連接部分，防止探針超出移動范圍，造成探頭損壞。翼型探針位于探頭的最前端，直接感應微結構剪切流的作用，能夠通過水動力作用，把剪切流u轉換成作用在翼型探針上的剪切力。懸臂梁通過類似于杠桿的作用，把剪切力放大，以增強探頭的信號輸出。壓電陶瓷片用于把放大的剪切力，通過本身變形，產(chǎn)生電壓輸出，得到可用于后續(xù)分析的電信號。連接桿用于連接探頭與載體，導線用于輸出電壓信號。

圖1 翼型剪切流探頭結構示意圖

探頭主要是應用水動翼理論進行測量。在水下運動時，水流穿過翼面形狀的探針，產(chǎn)生水動力，而探頭對沿軸線的力分量不敏感，垂直軸線的力分量作用于探頭內部壓電陶瓷而產(chǎn)生電荷。在一定范圍內，電荷的大小與垂直探頭軸線的力分量成正比，進而與垂直軸線的速度分量成正比，所以通過測定電量的大小，即可得到速度的垂直分量。

根據(jù)流體動力學的機翼理論，剪切流傳感器在下降運動過程中，橫向流會在探針上產(chǎn)生升力。在探頭處分布的橫向力可以表示為：

式中：ρ是流體的密度；U是流速；A是探頭在軸線方向上的橫截面積；α為攻角。

在探頭上的這一升力會被懸臂梁直接傳遞給壓電陶瓷。懸臂梁在傳遞力的過程中實際上起到了杠桿的作用，它將探頭上的升力在壓電陶瓷端進一步地放大。壓電陶瓷片外形為扁平狀的長方體，正因為這種薄片結構，使壓電陶瓷在它的平面法向方向上會很容易發(fā)生彎曲變形，而對來自其它方向的受力并不是很敏感。因此，當湍流在探頭上所形成的切向力傳遞給壓電陶瓷片時，壓電陶瓷片才會產(chǎn)生彎曲，并且根據(jù)材料本身的屬性，會根據(jù)彎曲程度的大小在薄片上產(chǎn)生相應的電荷。在壓電陶瓷片的末端連接兩根導線，導線通過連接桿的空腔連接到剖面儀中的電荷轉換放大器上。壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷通過導線被連續(xù)地遷移到電荷轉換放大器上，通過在其上的一個反饋電容將產(chǎn)生的電荷轉換為電壓信號輸出給后面的放大器，以通過后續(xù)信號電路作進一步的處理。由于水流的橫向速度是與剪切力成正比的，因此電壓信號與剪切力也是成正比的關系，剪切流傳感器的靈敏度S被定義為：

式中：Ecrms是壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷經(jīng)過電荷轉移放大器輸出的均方根電壓，靈敏度S的單位為（Vms2）/kg。

2 剪切流傳感器校準系統(tǒng)設計

2.1 剪切流傳感器的校準原理

圖2 剪切探頭的校準原理圖

剪切探頭的校準過程示意圖如圖2所示。由于壓電陶瓷固有的差動屬性，所以在對剪切探頭校準的過程中，剪切探頭要始終加載一個變化的剪切力。根據(jù)壓電陶瓷的阻抗高和在低頻條件下靈敏度高的特點，剪切力的頻率選擇1 Hz對于校準最合適。為了達到這一目的，有效的手段就是將探頭在攻角α、水流速度為U的條件下沿著軸向以1 Hz的頻率旋轉。隨著探頭在水流中的旋轉，作用于探頭的側向力保持恒定而在壓電陶瓷上的受力則發(fā)生正弦變化。這樣在恒定的水流速度U下，就可以得到不同的攻角α下的均方根輸出電壓。

對于一個軸對稱的翼形探針，在速度為U攻角為α的理想流中，由水流所產(chǎn)生的每單位長度的剪切力可以表示為：

通過對上式的積分，可以得到整體剪切力為：

在剪切力作用下，傳感器會輸出相應的電壓，輸出的電壓正比于探頭上的剪切力，因此剪切探頭的靈敏度S就可被定義為：

式中：Erms是剪切探頭輸出的均方根電壓，靈敏度S的單位為（Vms2）/kg。

因此，通過測量剪切探頭輸出的電壓，獲得試驗水流的密度和試驗水流的大小以及攻角，可以獲取傳感器的靈敏度。通過在不同的攻角下獲取相應的輸出電壓，并進行數(shù)據(jù)的多項式擬合，可以獲得準確的傳感器靈敏度數(shù)據(jù)。

2.2 剪切流傳感器的結構設計和校準過程

圖3 校準系統(tǒng)的結構設計

剪切流傳感器的校準結構如圖3所示。校準設備的核心就是一個帶有垂直射流功能的校準水槽。從上蓄水池中溢流出的水流通過減壓器后要保證垂直射入校準水槽，因此在校準之前要對水槽安裝面的水平度以及射流口的垂直度作好嚴格的調試，以保證探頭在校準時旋轉角度的正確。剪切流傳感器的探針就被安裝在水流出口的中心，并且探頭的軸線方向與水流出口的方向保持α角度。探頭的旋轉機構被安裝在一個帶有齒條的弧形導軌上，通過手動調節(jié)旋轉機構上的蝸桿，便可使探頭軸線與射流方向的角度發(fā)生變化。在校準時探頭可變的角度范圍為±10°，每次測量時的角度變化步長為2°，每次的角度值通過安裝水槽面上的分度儀來測定。在旋轉機構上，探頭的連接桿被安裝在伺服電機的輸出軸上，伺服電機可以實現(xiàn)對轉速的反饋控制，通過對電機轉速的精確控制來保證探頭以1 Hz的頻率旋轉。由于上蓄水池的水面基本保持恒定，所以流入校準水槽的水流速度也基本保持不變，水流速度可以通過蓄水池與水槽之間的流量控制閥來調節(jié)。一個差動壓力傳感器用來探測水槽射水口內與前端的壓力差，從而可以測定水流的速度。為了減下湍流的尺寸和強度，在減壓器前端設有一個湍流抑制包和一個大的水流空間。校準水槽里的水在自然重力作用下溢流進入下蓄水池，然后在水泵的作用下將水再重新抽入上蓄水池。壓電陶瓷的輸出電壓通過前置放大器和1 Hz的帶通濾波器后，由伏特計來測量最終信號的均方根電壓。1 Hz的帶通濾波器主要是用來消除由于校準時的機械振動和電源波動所造成的噪聲干擾。

3 結論

剪切探頭靈敏度的準確性對以后探頭設計、信號采集都起著至關重要的作用。但是通過實驗發(fā)現(xiàn)標定系統(tǒng)還存在一些問題，例如平臺的機械震動、分度機構的設計等。本課題將繼續(xù)對標定系統(tǒng)進行相應改進，并對探頭的采集部分進行詳細研究。

[1]SAThorpe.The Turbulent Ocean[M].Cambridge UniversityPress,2005.

[2]T R Osbern，W R Crawford.Air-sea inter faction instruments and methods-An airfoil probe for measuring turbulent velocity fluctuations in water[M].PlenumPress,1980.

[3]N S Oakey.Determination of the Rate of Dissipation of Turbulent Energy from Simultaneous Temperature and Velocity Shear Microstructure Measurements[J].Journal ofPhysical Oceanography,1982,12：256-271.

[4]Mudge T,R GLueck.Digital signal processingtoenhance oceanographic observations[J].J Atmos Oceanic Technol,1994,11：825-836.

[5]R Lueck,DHuang,DNewman，et al.Turbulence measurement with a moored instrument[J].Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology,1997,14：143-161.

Study on Calibration Method for Shear Probe

TIAN Chuan1,WANG Lei2
(1.National Ocean Technology center,Tianjin 300112，China；2.North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003，China)

Acquiring of dissipation rate of ocean turbulent kinetic energy mainly relies on the raw data of shear velocity of the fine structure.The most effective and reliable means of data acquisition is using special instruments of turbulence measuring.As the most important part of the instrument,the performance of airfoil shear probe determines the validity and reliability of access to data,therefore the research on the characteristics has important scientific value and engineering significance.In the process of airfoil shear probe calibration and actual measurement,the accuracy of data acquisition is affected by many factors.Therefore,it is of great significance to improve the ability of ocean microstructure research,through obtaining the accurate measurement data,improving the current level of airfoil shear probe measurement,carrying out the analysis of the probe calibration accuracy and error research in the measurement process.

dissipation rate of kinetic energy;airfoil shear probe;probe calibration

P716+.21

B

1003-2029（2011）04-0058-03

2011-05-30

國家自然科學基金資助項目（41006005）;國家海洋局青年海洋科學基金（2010420）

致謝：感謝天津大學機械學院所提供實驗的一切便利條件。