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        溫鹽深傳感器敏感元件應(yīng)用現(xiàn)狀概述

        2021-10-30 06:47:24柳宏濤宋成君咸婉婷楊思遠(yuǎn)
        黑龍江科學(xué) 2021年20期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量

        柳宏濤,宋成君,咸婉婷,楊思遠(yuǎn)

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所,哈爾濱 150028)

        海水溫度、鹽度參數(shù)的重要性等同于地圖的方向坐標(biāo),海水深度參數(shù)相當(dāng)于地圖的高度坐標(biāo)。精確測(cè)量海洋溫鹽深參數(shù),對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)、提升科考能力具有重要意義。

        1 溫鹽深測(cè)量技術(shù)發(fā)展歷程

        溫鹽深測(cè)量技術(shù)與人類文明共同發(fā)展。數(shù)千年前,早期岸邊生活的人類因捕魚需求,通過(guò)竹竿、木棒或礁石等標(biāo)記水域深度,后期有經(jīng)驗(yàn)的漁民通過(guò)感知水體溫度,即可判斷水下魚類資源豐富程度。經(jīng)歷大航海時(shí)代后,人們積累了豐富的海上航行經(jīng)驗(yàn),同時(shí)也遇到了很多諸如“液體海底”等詭異事件[1]。1670年前后,以英國(guó)科學(xué)家玻意耳開展的海水密度與含鹽量關(guān)系研究為標(biāo)志,人類開始了海洋鹽度研究。1819年,馬塞特通過(guò)烘干稱重法測(cè)得了海水含鹽量,提出了海水組成比例恒定性規(guī)律[2-4],海洋溫鹽深水文參數(shù)研究進(jìn)入高速發(fā)展階段。1978年,國(guó)際鹽標(biāo)的提出,奠定了近代海洋溫鹽深測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ),該標(biāo)準(zhǔn)被稱為實(shí)用鹽標(biāo)或78鹽標(biāo),鹽度計(jì)算由電導(dǎo)率值經(jīng)溫度、壓力補(bǔ)償?shù)贸?,與海水鹽分的組成關(guān)系較小,該標(biāo)準(zhǔn)得出的鹽度值與海水密度關(guān)系更為精確,具有計(jì)算簡(jiǎn)便、精度高、實(shí)用性好等優(yōu)點(diǎn),因此沿用至今。

        2 溫鹽深傳感器敏感元件

        2.1 溫度敏感元件

        溫度作為7個(gè)基本物理量之一,其測(cè)量技術(shù)發(fā)展較早,測(cè)試方法較多。目前,國(guó)際主流公司溫鹽深傳感器的溫度測(cè)量標(biāo)稱精度為0.002℃,用于溫鹽深傳感器的溫敏元件主要為繞絲結(jié)構(gòu)鉑電阻和熱敏電阻。

        鉑電阻:溫鹽深傳感器溫敏元件所用鉑電阻為柱狀繞絲結(jié)構(gòu),感溫核心元件為高純度鉑絲,經(jīng)繞制處理后,形成類彈簧回旋結(jié)構(gòu),鉑絲放置于陶瓷腔體內(nèi),經(jīng)填充氧化鎂粉等絕緣導(dǎo)熱材料,提升溫敏元件耐振動(dòng)、沖擊的環(huán)境適應(yīng)性,外部采用鈦合金或316L不銹鋼金屬封裝,具備測(cè)溫重復(fù)性好、非線性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特性[5],但靈敏度較小(PT100型鉑電阻溫度靈敏度約0.38Ω/℃),敏感元件體積相對(duì)較大。

        熱敏電阻:根據(jù)溫度正負(fù)系數(shù)不同,熱敏電阻分為PTC和NTC,溫敏元件為半導(dǎo)體材質(zhì),元件體積小,溫度靈敏度大(>100Ω/℃),測(cè)溫精度高[6],但因半導(dǎo)體材質(zhì)自身特性,熱溫敏電阻年漂移量較大,校準(zhǔn)周期較短。

        2.2 深度敏感元件

        目前溫鹽深傳感器的海水深度測(cè)量,多采用測(cè)壓法測(cè)深[7],根據(jù):

        p=ρgh

        (1)

        h=p/ρg

        (2)

        通過(guò)讀取被測(cè)點(diǎn)海水壓力,獲取深度參數(shù)。目前國(guó)際主流公司的深度測(cè)量精度優(yōu)于0.1%FS,使用的壓敏元件主要為壓阻式和諧振式兩類。

        壓阻式:又稱硅壓阻式壓敏元件,基于壓阻效應(yīng)測(cè)壓,采用MEMS工藝,在硅基片上制備惠斯通電橋,感壓時(shí),一組對(duì)壁阻值增大,另一組阻值減小,通電后,測(cè)量元件輸出電壓即可實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。壓阻式壓敏元件制備工藝較成熟、批產(chǎn)成本較低,量程可達(dá)500 MPa以上,但測(cè)壓精度相對(duì)較低,精度較高的中小量程元件,其精度也僅可達(dá)到0.1%FS。

        諧振式:采用MEMS工藝制備而成,測(cè)壓時(shí),元件發(fā)生形變,導(dǎo)致固有頻率發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量壓敏元件的固有頻率即可完成壓力測(cè)量,諧振式壓敏元件測(cè)量精度極高,可達(dá)0.01%FS以上[8],但元件制備工藝較為復(fù)雜,僅國(guó)外個(gè)別公司具備批產(chǎn)能力,價(jià)格較為高昂。

        2.3 電導(dǎo)率敏感元件

        目前國(guó)際主流公司的電導(dǎo)率測(cè)量精度為0.003 mS/cm,常用元件按測(cè)量原理進(jìn)行分類,電導(dǎo)率敏感元件可分為電極式和電感式[9]。

        2.3.1 電極式電導(dǎo)率敏感元件

        電極式敏感元件采用氣相沉積、金屬濺射工藝,選用鉑等金屬材料在陶瓷或玻璃表面制備導(dǎo)電電極,基于電極間等效電阻表征海水電導(dǎo)率,實(shí)現(xiàn)根據(jù)測(cè)量電極數(shù)量,敏感元件分為二電極式、三電極式、四電極式和七電極式[10]。

        二電極式:本質(zhì)為兩片對(duì)立的片狀或環(huán)狀電極,電極兩端施加直流或交流電壓,海水中導(dǎo)電粒子濃度不同,電極間產(chǎn)生電流大小不同,通過(guò)測(cè)量電流大小,即可表征被測(cè)海水電導(dǎo)率值,測(cè)量量程可達(dá)2 000 mS/cm以上。該原理激勵(lì)電極與測(cè)量電極共用,電極極化現(xiàn)象嚴(yán)重,且邊緣效應(yīng)嚴(yán)重,敏感元件的測(cè)量精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差,故該原理敏感元件多用于電導(dǎo)率量程較大、測(cè)量精度要求較低的應(yīng)用環(huán)境。

        三電極:本質(zhì)為三片環(huán)狀電極均勻分布于電導(dǎo)池內(nèi),測(cè)量原理如圖1所示,采用文氏振蕩電路,電導(dǎo)池流經(jīng)海水時(shí),電極間等效電阻R=RS1//RS2,且與海水電導(dǎo)率相關(guān),通過(guò)合理搭配元器件,電路輸出頻率為1/(2πRC),通過(guò)測(cè)量振蕩頻率即可表征被測(cè)海水阻抗,完成電導(dǎo)率測(cè)量[11],量程多為0~70 mS/cm。溫鹽深行業(yè)的標(biāo)桿——美國(guó)SEABIRD公司,其產(chǎn)品多采用三電極進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量,三電極式電導(dǎo)率元件測(cè)量精度較高,可達(dá)0.003 mS/cm,產(chǎn)品長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于0.001 mS/cm/月。該原理要求電導(dǎo)池內(nèi)的海水具有較大的等效電阻,導(dǎo)致電導(dǎo)池結(jié)構(gòu)較為細(xì)長(zhǎng),導(dǎo)流比(電導(dǎo)池直徑與長(zhǎng)度之比)僅0.02左右,使用過(guò)程中易發(fā)生堵塞,被測(cè)介質(zhì)交換較慢,常需要配泵使用,業(yè)內(nèi)部分人士認(rèn)為,水泵雖然提升了電導(dǎo)池內(nèi)外之間液體交換速度,但同時(shí)也會(huì)破壞被測(cè)海水的微結(jié)構(gòu),出現(xiàn)海洋水文參數(shù)測(cè)量誤[12]。

        圖1 三電極電導(dǎo)率測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-electrode conductivity measurement

        四電極:如圖2所示,四電極電導(dǎo)率元件由兩組同軸對(duì)稱電極組成,激勵(lì)電極施加交流信號(hào)時(shí),輸出電極產(chǎn)生與被測(cè)電導(dǎo)率相關(guān)的電壓信號(hào),實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率測(cè)量。該元件的激勵(lì)電極和測(cè)量電極彼此獨(dú)立,一定程度上解決了電極極化問(wèn)題,且電導(dǎo)池為開放結(jié)構(gòu),海水交換速度較快[13],該敏感元件為MEMS結(jié)構(gòu),是未來(lái)微體積傳感器的重要發(fā)展方向。受限于制備工藝的原因,小尺寸電導(dǎo)率元件電極的同軸度不高,導(dǎo)致元件測(cè)量精度相對(duì)較低。該原理敏感元件的電極多為陶瓷基底上的平面結(jié)構(gòu),存在一定的應(yīng)力失配現(xiàn)象,導(dǎo)致元件的長(zhǎng)期漂移量較大,耐振動(dòng)沖擊的環(huán)境適應(yīng)性較差。

        圖2 四電極電導(dǎo)率元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of four-electrode conductivity elements

        七電極:七電極電導(dǎo)率元件可視為兩組四電極元件,測(cè)量原理如圖3所示。電極1為激勵(lì)電極,接交流激勵(lì)后,與電極6、7分別建立內(nèi)部電場(chǎng),電極6和7為接地屏蔽電極,提升元件電磁兼容性,電極2和3、4和5為兩組測(cè)量電極,輸出信號(hào)的平均值表征被測(cè)海水電導(dǎo)率。七電極元件同時(shí)具備三電極和四電極元件的優(yōu)點(diǎn),兩側(cè)電極接地,形成電磁屏蔽,元件的電磁兼性好,測(cè)量精度高,響應(yīng)速度快,導(dǎo)流比可達(dá)0.2,無(wú)需配泵使用[14],測(cè)量可達(dá)0.003 mS/cm,響應(yīng)時(shí)間可達(dá)50 ms。

        圖3 七電極電導(dǎo)率測(cè)量示意圖Fig.3 Schematic diagram of seven-electrode conductivity measurement

        電極式電導(dǎo)率敏感元件多為MEMS工藝制備,產(chǎn)品體積較小,測(cè)量精度較高,但其電極直接接觸被測(cè)介質(zhì),長(zhǎng)期使用過(guò)程中存在電極腐蝕、電極污染和微生物附著等問(wèn)題,導(dǎo)致測(cè)量精度急劇降低。

        2.3.2 電感式電導(dǎo)率敏感元件

        電感式電導(dǎo)率敏感元件電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率測(cè)量,結(jié)構(gòu)如圖4所示。敏感元件采用交流信號(hào)激勵(lì),激勵(lì)電感內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場(chǎng),導(dǎo)流管內(nèi)部產(chǎn)生感生電場(chǎng),該電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電粒子定向移動(dòng)形成電流,感應(yīng)電感輸出端產(chǎn)生與被測(cè)海水電導(dǎo)率成正比的輸出信號(hào),即完成海水電導(dǎo)率測(cè)量[15],電導(dǎo)率測(cè)量精度可達(dá)0.003 mS/cm,響應(yīng)時(shí)間可達(dá)50 ms。

        圖4 電感式電導(dǎo)率元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of inductive conductivity elements

        電感式電導(dǎo)率元件外殼均為耐腐蝕材料(多采用POM制備),電感核心元件置于殼體內(nèi)部,不接觸海水,與電極式相比,不存在電極極化、腐蝕問(wèn)題[16],但其體積、質(zhì)量較大。因電磁感應(yīng)工作原理,導(dǎo)致傳感器溫度漂移量較大,其激勵(lì)電感和感生電感為繞線結(jié)構(gòu),與MEMS工藝制備的電極型元件相比,元件批量一致性較差。

        3 結(jié)語(yǔ)

        溫鹽深傳感器作為海洋水文參量測(cè)量的主要儀器設(shè)備,經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展,涌現(xiàn)出了SEABIRD、IDRONAUT、ALEC、Sea-Sun-Tech、AANDERAA、RBR等眾多研發(fā)公司。目前,各公司的溫鹽深傳感器所用溫度、壓力敏感元件基本一致,但基于公司技術(shù)積累不同,所用電導(dǎo)率敏感元件差別較大,目前三電極、七電極和電感式敏感元件均有較多應(yīng)用,產(chǎn)品性能也較為成熟。雖然各公司的溫鹽深傳感器的敏感元件原理存在一定差別,但敏感元件小型化、高精度、低功耗、防生物附著的發(fā)展方向是相同的。

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