基于光折射原理的海水密度测量技术的研究
发布时间：2021-11-04 02:19
海水密度是海洋观测中最重要的参数之一,为海水循环、气候变化、生物化学以及海洋生态学等领域提供重要物理参数。海水密度主要通过使用电导率-温度-深度仪（Conductivity,Temperature and Depth,CTD）来测量海水温度、盐度和深度参数,然后通过计算得到海水密度,因此海水密度的精确计算依赖电导率、温度和压力的高精度和同步测量。但由于CTD的温度、盐度测量不同步问题,导致在计算密度时,会出现密度尖峰,使得计算值和测量值之间存在偏差。如果海水中含有大量悬浮无机物导电颗粒,基于电导率测量方法会使得电导率和盐度测量结果出现异常,进而导致密度计算异常。此外,电导率方法无法检测硅酸盐等非电解质对海水盐度的贡献,使得计算所得的海水密度比实际密度偏小。与基于电导率法测量密度的原理完全不同,本文基于光学折射法直接测量海水密度。通过测量海水光学折射率,结合温度和压力的校准,及折射率和密度之间的关系,可得到相应的海水密度。针对以上研究目标,本文主要研究内容为:基于不同密度海水折射率不同的原理,激光以固定角度入射到不同密度海水,出射光线的偏移角度也将不同。光束的横向位移随海水密度变化而变化...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２实验室电导率盐度仪（Ａｕｔｏｓａｌ?８４００Ｂ）??（２）液体静力称量法??
山东大学硕士学位论文??ｆｔ?￣￣ｆ｜Ｔ＝２２．２７?＃Ｃ?ｈ＝６５．４９?％?｜｜—ｊ?ｎ??ｆｔ?ｇ目目努］?Ｑ??－Ｏｉ＾ｊ￣￣ｌ?ｉ?ｐ—￣￣ｉｍｍ％）??ｉ＾ｉｇ）???ｒ｜＝３ｊ??Ｊ古：＞?＜＇〇?＞Ｓ??ｐ：?３Ｃ?ＭＰａ?：?ｆ）??１１?？ｓ＾?〈一?■?－???—?＼；ｔｔ??Ｘ＾ｅＶｅｊ／?Ｓ．：圏??Ｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃ?ｂａｔｈ?目?〇?目目?Ｑ?ｎｓｉ?ｉ?ｉｔ；?：ｆｉ．?一．?Ｔｈｅｍｉｏｓｔａｔｉｃ?ｂａｔｆｉ????Ｖ?Ｊ??图１－３液体静力称量法测密度ＰＩ??（３）振动管密度测量法??振动管密度计操作简单且可用于很宽温度和压力范围内密度测量，己在海水??密度实验室测量中广泛使用。但该方案不适合高压海水测量，一方面目前没有配备??市场化的高压参考振荡器，不能补偿对振动管材料的温度滞后效应，另一方面目前??也没有所需高压下满足精度和测量范围的密度参考物质１２９］。??目前，精度最高的实验室振动管密度计（ＤＭＡ５０００Ｍ，?Ａｎｔｏｎ?Ｐａａｒ?ＧｍｂＨ），??如图１－４所示，其分辨率为０．００１ｋｇ／ｍ３。ＨａｎｎｅｓＳｃｈｍｉｄｔ等人（２０１６）使用该款振??动管密度计对３５ｇ／ｋｇ的海水，在５°Ｃ至３５°Ｃ的温度范围内，可实现１０ｇ／ｍ３（丨ＯＭＰａ）??和２０ｇ／ｍ３?（６５ＭＰａ）的测量不确定度＿。??Ｉ???ｃｓａ???－?—??０ｔＭ９Ｍ?０？？？”？?＊６｜｜??Ｔ９Ｏ０？??＜?ｙｋ＾—ｉｋ??图丨－４实验室振动管密度计（ＤＭＡ５０００Ｍ）??５??
山东大学硕士学位论文??度（或盐度）测量，可以有效解决由硅酸盐、碱度等引起的超额盐度／密度测量，??对研究绝对密度／盐度异常和盐度可追溯性研究有着重要的意义。??该方案应用于海洋测量较早，Ｋ．Ｋｒｅｍｌｉｎｇ?（１９７１）的研宄已报道折射率方案用??于海水密度测量，此后，Ｋ．－Ｈ．Ｍａｈｒｔ?等人（１９８２）、ＧｅｏｒｇｅＡ．Ｓｅａｖｅｒ?（１９８５）、Ｋａｒｌ－??ＨｅｉｎｚＭａｈｒｔ?等人（１９８８）、Ｙ．Ｓｏｎｇ?等人（２００５）、ＭａｔｔｈｅｗＨ．Ａｌｆｏｒｄ?等人（２００６）、??ＡｌｉｒｅｚａＢａｈａｄｏｒｉ等人（２０１４）的研究，均为海洋折射率测量方法应用于海洋密度／盐??度测量研宄打下了坚实基础??近年国内外对基于折射率的密度（或绝对盐度）测量的研究层出不穷，实际上，??基于Ｖ形槽折光仪己在海上进行了测试，目前该方案已有市场化产品，由法国ＮＫＥ??公司销售，基于光学折射原理的ＮＯＳＳ传感器（如图１－６所示），成为对组成异常??的海水折射率／密度进行实验研究先驱。ＮＯＳＳ传感器利用Ｖ型槽折光仪，搭载了??温度和压力传感器探头，可实现０？２１００ｄｂａｒ海域内绝对盐度和密度测量。该传感??器盐度测量范围为１５？４２ｇ／ｋｇ，初始准确度为±０．００５ｇ／ｋｇ；密度测量范围为１０２０？??１０３０ｋｇ／ｍ３，初始准确度为±０．００３ｋｇ／ｍ３。本文的密度测量方法也是利用折光法来进??行海水折射率和海水密度测量，在ＮＯＳＳ商业化传感器的基础上，提出了?“空气??隙”的优化方案，可有效降低当前传感器中对入射角敏感和出射角灵敏度受限的问??题。??感??图１－６?ＮＯＳＳ传感器实物图??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于液晶调制技术的海水密度测量系统研究[J]. 武博宇,赵海丽. 仪器仪表用户. 2017(09)
[2]海水密度的传感器测量技术综述[J]. 郭天太,王真,郭冲冲,李东升,刘月瑶,张雯,尹健龙. 机床与液压. 2012(03)
[3]Progress of marine biofouling and antifouling technologies[J]. CAO Shan, WANG JiaDao, CHEN HaoSheng & CHEN DaRong State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084, China. Chinese Science Bulletin. 2011(07)
[4]高光谱多角度偏振信息反演盐水密度最佳波段[J]. 孙仲秋,赵云升,阎国倩. 红外与毫米波学报. 2010(03)
[5]基于一维PSD误差分段的BP网络非线性校正[J]. 姚建国,阎文,梁光建,贾长治. 传感器与微系统. 2009(01)
[6]利用多角度偏振信息计算海水密度研究初探[J]. 杜嘉,赵云升,吕云峰,赵乃卓. 红外与毫米波学报. 2007(04)
[7]基于两种扫描方式的PSD响应特性[J]. 尚鸿雁,张广军. 仪器仪表学报. 2005(11)
[8]基于位置敏感器件的光学法盐度检测技术研究[J]. 赵勇,张博,廖延彪,赖淑蓉. 光学学报. 2003(11)
[9]杭州湾海水密度研究[J]. 陈国华,纪红,谢式南,张力军,金建成,张爱滨. 青岛海洋大学学报(自然科学版). 1999(S1)
[10]一维PSD定位精度的实验研究[J]. 张小星,孙桂林,施涌潮. 测试技术学报. 1996(03)
硕士论文
[1]基于光电传感技术的海水盐度计研制[D]. 曹乃锋.中国海洋大学 2010
本文编号：3474798
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２实验室电导率盐度仪（Ａｕｔｏｓａｌ?８４００Ｂ）??（２）液体静力称量法??
山东大学硕士学位论文??ｆｔ?￣￣ｆ｜Ｔ＝２２．２７?＃Ｃ?ｈ＝６５．４９?％?｜｜—ｊ?ｎ??ｆｔ?ｇ目目努］?Ｑ??－Ｏｉ＾ｊ￣￣ｌ?ｉ?ｐ—￣￣ｉｍｍ％）??ｉ＾ｉｇ）???ｒ｜＝３ｊ??Ｊ古：＞?＜＇〇?＞Ｓ??ｐ：?３Ｃ?ＭＰａ?：?ｆ）??１１?？ｓ＾?〈一?■?－???—?＼；ｔｔ??Ｘ＾ｅＶｅｊ／?Ｓ．：圏??Ｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃ?ｂａｔｈ?目?〇?目目?Ｑ?ｎｓｉ?ｉ?ｉｔ；?：ｆｉ．?一．?Ｔｈｅｍｉｏｓｔａｔｉｃ?ｂａｔｆｉ????Ｖ?Ｊ??图１－３液体静力称量法测密度ＰＩ??（３）振动管密度测量法??振动管密度计操作简单且可用于很宽温度和压力范围内密度测量，己在海水??密度实验室测量中广泛使用。但该方案不适合高压海水测量，一方面目前没有配备??市场化的高压参考振荡器，不能补偿对振动管材料的温度滞后效应，另一方面目前??也没有所需高压下满足精度和测量范围的密度参考物质１２９］。??目前，精度最高的实验室振动管密度计（ＤＭＡ５０００Ｍ，?Ａｎｔｏｎ?Ｐａａｒ?ＧｍｂＨ），??如图１－４所示，其分辨率为０．００１ｋｇ／ｍ３。ＨａｎｎｅｓＳｃｈｍｉｄｔ等人（２０１６）使用该款振??动管密度计对３５ｇ／ｋｇ的海水，在５°Ｃ至３５°Ｃ的温度范围内，可实现１０ｇ／ｍ３（丨ＯＭＰａ）??和２０ｇ／ｍ３?（６５ＭＰａ）的测量不确定度＿。??Ｉ???ｃｓａ???－?—??０ｔＭ９Ｍ?０？？？”？?＊６｜｜??Ｔ９Ｏ０？??＜?ｙｋ＾—ｉｋ??图丨－４实验室振动管密度计（ＤＭＡ５０００Ｍ）??５??
山东大学硕士学位论文??度（或盐度）测量，可以有效解决由硅酸盐、碱度等引起的超额盐度／密度测量，??对研究绝对密度／盐度异常和盐度可追溯性研究有着重要的意义。??该方案应用于海洋测量较早，Ｋ．Ｋｒｅｍｌｉｎｇ?（１９７１）的研宄已报道折射率方案用??于海水密度测量，此后，Ｋ．－Ｈ．Ｍａｈｒｔ?等人（１９８２）、ＧｅｏｒｇｅＡ．Ｓｅａｖｅｒ?（１９８５）、Ｋａｒｌ－??ＨｅｉｎｚＭａｈｒｔ?等人（１９８８）、Ｙ．Ｓｏｎｇ?等人（２００５）、ＭａｔｔｈｅｗＨ．Ａｌｆｏｒｄ?等人（２００６）、??ＡｌｉｒｅｚａＢａｈａｄｏｒｉ等人（２０１４）的研究，均为海洋折射率测量方法应用于海洋密度／盐??度测量研宄打下了坚实基础??近年国内外对基于折射率的密度（或绝对盐度）测量的研究层出不穷，实际上，??基于Ｖ形槽折光仪己在海上进行了测试，目前该方案已有市场化产品，由法国ＮＫＥ??公司销售，基于光学折射原理的ＮＯＳＳ传感器（如图１－６所示），成为对组成异常??的海水折射率／密度进行实验研究先驱。ＮＯＳＳ传感器利用Ｖ型槽折光仪，搭载了??温度和压力传感器探头，可实现０？２１００ｄｂａｒ海域内绝对盐度和密度测量。该传感??器盐度测量范围为１５？４２ｇ／ｋｇ，初始准确度为±０．００５ｇ／ｋｇ；密度测量范围为１０２０？??１０３０ｋｇ／ｍ３，初始准确度为±０．００３ｋｇ／ｍ３。本文的密度测量方法也是利用折光法来进??行海水折射率和海水密度测量，在ＮＯＳＳ商业化传感器的基础上，提出了?“空气??隙”的优化方案，可有效降低当前传感器中对入射角敏感和出射角灵敏度受限的问??题。??感??图１－６?ＮＯＳＳ传感器实物图??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于液晶调制技术的海水密度测量系统研究[J]. 武博宇,赵海丽. 仪器仪表用户. 2017(09)
[2]海水密度的传感器测量技术综述[J]. 郭天太,王真,郭冲冲,李东升,刘月瑶,张雯,尹健龙. 机床与液压. 2012(03)
[3]Progress of marine biofouling and antifouling technologies[J]. CAO Shan, WANG JiaDao, CHEN HaoSheng & CHEN DaRong State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084, China. Chinese Science Bulletin. 2011(07)
[4]高光谱多角度偏振信息反演盐水密度最佳波段[J]. 孙仲秋,赵云升,阎国倩. 红外与毫米波学报. 2010(03)
[5]基于一维PSD误差分段的BP网络非线性校正[J]. 姚建国,阎文,梁光建,贾长治. 传感器与微系统. 2009(01)
[6]利用多角度偏振信息计算海水密度研究初探[J]. 杜嘉,赵云升,吕云峰,赵乃卓. 红外与毫米波学报. 2007(04)
[7]基于两种扫描方式的PSD响应特性[J]. 尚鸿雁,张广军. 仪器仪表学报. 2005(11)
[8]基于位置敏感器件的光学法盐度检测技术研究[J]. 赵勇,张博,廖延彪,赖淑蓉. 光学学报. 2003(11)
[9]杭州湾海水密度研究[J]. 陈国华,纪红,谢式南,张力军,金建成,张爱滨. 青岛海洋大学学报(自然科学版). 1999(S1)
[10]一维PSD定位精度的实验研究[J]. 张小星,孙桂林,施涌潮. 测试技术学报. 1996(03)
硕士论文
[1]基于光电传感技术的海水盐度计研制[D]. 曹乃锋.中国海洋大学 2010
本文编号：3474798
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