一种用于海气界面水边界层的温度剖面精细化测量传感器的制作方法

本发明属于测量技术领域，尤其是涉及一种用于海气界面水边界层的温度剖面精细化测量传感器。

背景技术：

在海气界面水边界层0-0.5m深度内的海水所吸收的太阳辐射能占渗透到海洋中太阳辐射能总量的50％，这个范围内的海水对热量在海-气间的传输起着重要的作用。其温度场对海气界面强迫作用的响应，对于深入认知海气界面过程、改进海洋混合和海气通量参数化方案等具有重要的科学意义。此外，海气温差、风速、降雨、波浪等过程，都会对海气界面水边界层中温度和流场结构产生影响。因此，水边界层温度场呈现出变化剧烈，结构精细，不稳定的状态。

由于上述原因和测量技术的限制，长期以来对海气界面水边界层0-0.1m深度内的海水温度资料的获取一直是个难点。在数据应用上，研究者一般采用平均水温来简化模型和相关计算公式。比如，传统水温调查规范中规定表层水温为≤1米的单点测量值。而在实际应用中，研究者也常常面临选择哪一层水温作为模型或公式带入值的难题，从而产生由不同数据源引起的数据质量问题，这一问题在不同要素计算，不同计算方法，不同海区中会得出不同的评价结果。

综上所述，实现对海气界面水边界层0-0.1m深度内的海水温度场精细结构的测量，对海洋近表层过程的研究，特别是小尺度海气相互作用过程(如海气通量、日变化、海洋混合、langmuir环流等)的深入认知和参数化具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种用于海气界面水边界层的温度剖面精细化测量传感器，以解决现有技术中存在的问题，实现对海气界面水边界层0-0.1m深度内的海水温度场精细结构的测量。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于海气界面水边界层的温度剖面精细化测量传感器，包括密封壳体，密封壳体内设有测温阵列，测温阵列与密封壳体间采用端面密封；

密封壳体顶部和底部均设有压力传感器，顶部的压力传感器用于测量海面气压，并通过建立的误差补偿模型对底部的压力传感器进行修正；

密封壳体内还设有测量电路与姿态测量模块、以及电路板支架，端盖与密封壳体间、压力传感器与端盖间均采用采用径向密封。

进一步的，测温阵列设计总长不小于0.1m,测温阵列中设有测温节点，节点数不少于35个节点，节点的中心间距不大于3mm，节点定位精度优于±2mm。

进一步的，所述姿态测量模块包括陀螺仪、加速度计、磁力计，用于输出横滚角和俯仰角的测量数值，与测量电路电连接，测量电路设有主控制器。

进一步的，所述姿态测量模块可以给出温度剖面精细化测量传感器的俯仰角与横滚角，在各测温节点位置信息已知的条件下，根据温度剖面精细化测量传感器顶部和底部高精度压力传感器的数据信息，即可测算出各测温节点的实际深度。

进一步的，具体计算过程如下，

已知顶部压力传感器的测量值为d1，底部压力传感器的测量值为d2，则底部压力传感器膜片位置处的实际深度是：

d＝d2-d1

已知底部压力传感器膜片距测温阵列底部第一个温度节点的距离为l0，测温阵列相邻温度节点的间距是l，底部压力传感器膜片位置处的实际深度是d，姿态测量系统的俯仰角示值为θ，横滚角示值为γ，则测温阵列第一个温度节点的实际深度为：

l1＝d-tanβtanαl0

第n(n＝2,3…)个温度节点的深度为：

ln＝d-tanβtanα(l0+(n-1)l)。

进一步的，各测温节点通过ad芯片连接微控制器，微控制器通过rs485总线连接测量电路的主控制器。

进一步的，测所述量电路与姿态测量模块还包括选择自适应互补滤波姿态融合算法，利用加速度计和磁力计的测量值对mems陀螺仪估计的四元数进行补偿，同时引入载体非重力加速度误差和磁干扰误差自适应补偿，提高姿态测量精度。

进一步的，通过基于椭球拟合的系统误差标定方法，实现姿态测量系统的标定，极大地减少对精密标定设备的依赖。

相对于现有技术，本发明所述的一种用于海气界面水边界层的温度剖面精细化测量传感器具有以下优势：

本发明提供一种具备小型化、密集节点的测温阵列、高精度深度定位能力的温度剖面精细化测量传感器，可以直接应用于表面漂流浮标，也可以增加姿态调节模块，用于船载系留式测量。该传感器可对海气界面水边界层0-0.1m深度内的海水温度场进行高精度的接触式测量，可用于卫星遥感的在轨定标以及sst真实性检验；此外，传感器的测量数据，也可用于水体皮温-表温的关系分析以及海气相互作用热通量研究，将为海气界面过程，特别是小尺度海气相互作用的深入认知和参数化奠定基础，填补该领域技术空白。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的传感器三维结构示意图；

图2为本发明实施例所述的传感器的电路原理框图示意图；

图3为本发明实施例所述的传感器的总体结构三维图；

图4为本发明实施例所述的测量电路与姿态测量模块连接原理图；

图5为本发明实施例所述的自适应互补滤波姿态测量算法流程图。

附图标记说明：

1-密封壳体；2-测温阵列；3-海面；4-顶部压力传感器；5-电路板支架；6-测量电路与姿态测量模块；7-底部压力传感器；8-端盖；9-温度节点；10-环氧树脂。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-4所示，本发明提供一种用于海气界面水边界层的温度剖面精细化测量传感器，包括密封壳体1，密封壳体1上设有测温阵列2，测温阵列2与密封壳体1间采用端面密封；密封壳体1顶部和底部均设有压力传感器，顶部压力传感器4用于测量海面3气压，并通过建立的误差补偿模型对底部压力传感器7进行修正；密封壳体1内还设有测量电路与姿态测量模块6、以及电路板支架5，端盖8与密封壳体1间、压力传感器与端盖8间均采用采用径向密封。

由于难以直接获取海气界面水边界层0-0.1m深度内的海水温度资料，根据表层水温梯度可以得知，海水温度的变化幅度与到海气界面处的距离成反比，距离海气界面越近，海水温度变化越剧烈。因此，测温阵列2设计总长应不小于0.1m,节点数不少于35个节点，节点的中心间距不大于3mm，节点定位精度优于±2mm。

综合考虑测量精度以及外形尺寸进行热敏电阻的选型，选用直径约为0.5mm的负温度系数热敏电阻，该电阻外部具有玻璃铠装材料，降低了后续封装的难度。

为便于热敏电阻的安装，测温阵列2与密封筒体间采用端面密封连接，同时实现了模块化设计，后续可以通过调整测温阵列2的节点密度，适用于不同的应用场合。

温度节点9的间距通过高精度数控加工实现，并通过环氧树脂10灌封保证其水密特性，测温阵列安装结构材料与环氧树脂的导热系数越小，对温度测量的影响越小。

测温阵列2中各节点所在的实际深度，是描述水边界层温度场结构的重要信息。为实现温度阵列中各温度节点所在水深精度优于±2mm的技术要求，本发明将设计基于三轴mems陀螺仪、加速度计、磁力计的姿态测量模块，利用姿态测量模块给出的俯仰角、横滚角以及基准深度构建高精度深度定位模型，精准测算各温度节点的实际深度。

上述姿态测量系统可以给出温度剖面精细化测量传感器的俯仰角与横滚角，在各测温节点位置信息已知的条件下，根据温度剖面精细化测量传感器顶部和底部高精度压力传感器的数据信息，即可测算出各测温节点的实际深度。

测温节点9的安装结构采用高精度数控技术进行加工制作，加工精度可达到±0.01mm。为进一步保证测算深度的准确性，温度剖面精细化测量传感器顶部的压力传感器测量海面气压，并通过建立的误差补偿模型对底部的压力传感器进行修正。

已知顶部压力传感器的测量值为d1，底部压力传感器的测量值为d2，则底部压力传感器膜片位置处的实际深度是：

d＝d2-d1

已知底部压力传感器膜片距测温阵列底部第一个温度节点的距离为l0，测温阵列相邻温度节点的间距是l，底部压力传感器膜片位置处的实际深度是d，姿态测量系统的俯仰角示值为θ，横滚角示值为γ，则测温阵列第一个温度节点的实际深度为：

l1＝d-tanβtanαl0

第n(n＝2,3…)个温度节点的深度为：

ln＝d-tanβtanα(l0+(n-1)l)。

由于mems陀螺仪存在漂移，长时间工作有累积误差；利用加速度计和磁力计来估计姿态角会受载体线性加速度和磁场干扰的影响。因此，单独使用某一种传感器无法获得精确可靠的姿态信息，必须利用姿态融合算法对不同传感器的数据进行融合，以提高系统的精度和抗干扰能力。本发明选择自适应互补滤波姿态融合算法，利用加速度计和磁力计的测量值对mems陀螺仪估计的四元数进行补偿，避免了磁场干扰情况下航向角误差对水平角测量的影响，同时引入了载体非重力加速度误差和磁干扰误差自适应补偿方案，提高了姿态测量精度。具体方法如下：

1.1基于四元数的姿态确定分析

定义陀螺仪、加速度计、磁力计所在的坐标系为载体坐标系oxbybzb，与之相对应的地理坐标系为地理坐标系oxnynzn。载体姿态为载体坐标系和地理坐标系的角位置关系，可由载体坐标轴三个有序旋转复合表示。项目拟采用z-x-y旋转顺序的“航空次序欧拉角”，旋转正方向服从右手定则，其旋转角θ和γ依次为航向角、俯仰角和横滚角。

欧拉角法、方向余弦法、四元数法等是较为常用的姿态解算方法，其中四元数法计算量较小，可以避免euler角的奇异问题，应用较为广泛。载体坐标系相对于地理坐标系的转动通过四元数q表示：

q＝q0+q1i+q2j+q3k(1)

旋转矩阵表示为：

四元数微分方程表示为：

式中：ω(ω^b)表示载体坐标系相对于地理坐标系角速度在载体坐标系上分量的四元数。其矩阵形式如下所示：

利用四阶龙格-库塔方法进行四元数微分方程的求解，可得到如下的递推关系：

其中：t为采样周期；

根据更新的四元数可以推导出姿态角：

1.2自适应互补滤波姿态融合算法

在利用四元数进行载体姿态解算中通常需要进行正交化处理，使姿态转移矩阵随机漂移误差达到最小，重力矢量和磁场矢量在载体坐标系下的表示如下：

式中：和表示重力矢量和磁场矢量在载体坐标系下的计算值，gⁿ和mⁿ表示在地理坐标系下的投影。

加速度计和磁力计的实际测量矢量为：

mems陀螺仪漂移产生的积分累计误差导致计算矢量和测量矢量之间存在偏差，为抑制陀螺的漂移，采用自适应互补滤波方法，结合加速度计、磁力计输出进行数据融合，获取可靠的姿态角信息。

利用加速度计测量数据对陀螺仪估计的四元数进行补偿修正，输出准确的水平姿态。通过四元数qt绕向量na旋转角度δθa来补偿水平角误差，其误差四元数qae和修正四元数qa的表达式如下：

式中：na表示等效转轴方向，利用空间向量na和角度标量δθa构造一个四元数表示载体坐标方位，即姿态四元数“轴角”表达形式。

在静止状态下，加速度计通过测量由于重力引起的加速度，可以准确地计算出载体的水平姿态角。但是，当载体存在线性加速度时，加速度计测得的加速度矢量的大小和方向与重力矢量存在偏差，利用加速度计输出值计算载体姿态角将会出现比较大的误差。然而，陀螺仪的测量值不会受线性加速度的影响，因此在这种情况下应当把陀螺仪数据作为估计的主要来源，用来进行相对准确的姿态估计。为了解决这一问题，本发明在式(10)中引入自适应增益系数μa来减少载体非重力加速度误差对姿态测量精度的影响。

载体非重力加速度误差的表达式如下：

式中：||g^b||为加速度计测得的加速度矢量模值，g为当地重力加速度。滤波增益系数μa与载体非重力加速度误差ea之间的关系如下：

μa＝f(ea)(12)

式中:f为分段连续函数，当载体线性加速度很小且非重力加速度误差不大于事先设定的阈值xa，滤波增益系数随着非重力加速度误差的增加而线性减小。如果载体存在较大的线性加速度，非重力加速度误差大于阈值，那么滤波增益系数等于零。误差阈值的大小可通过衡量惯性器件各自的精度、载体的动态强度等条件，由试验获得最优值。

在上述工作的基础，利用磁力计的测量数据对获得的四元数进行补偿，来修正航向角。磁场在地理坐标系下的估计矢量：

式中：(qa)^*为四元数qa的共轭。

通过四元数qa绕向量nm旋转角度δθm来补偿偏航角误差，其误差四元数qme和修正四元数qm的表达式如下：

式中：mⁿ＝(010)为地理坐标系下忽略垂直分量的地磁参考矢量。滤波增益系数μm的获取办法与上述μa获取办法类似，在此不再赘述。

根据上述分析，自适应互补滤波姿态融合算法流程图如图5所示.

温度剖面精细化测量传感器在投放使用前，在缺少外部辅助设备的情况下，很难进行精确校准补偿，只能使用一些简单的线性标定补偿手段。这些方法应用于加速度计零偏标定，补偿效果较好。对于自身受外界磁场干扰的磁力计来说，很难直接寻求磁南磁北方向。针对以上问题，本发明采用一种不依赖外部辅助设备提供方向基准和水平基准，可操作且快速简单的传感器现场校准补偿方法，即基于椭球拟合的系统误差标定方法。通过基于椭球拟合的系统误差标定方法，实现姿态测量系统的标定，可以极大地减少对精密标定设备的依赖。

理想无磁场干扰状态下，磁力计3轴所测磁强在空间呈球面分布。磁场干扰会使磁力计测出的地磁场强度在3个轴向上发生不同程度的偏移形变，影响航向角的计算。

椭球曲面的一般方程为：

(x-x0)²+e²(y-y0)²+f²(z-z0)²＝r²(15)

采用最小二乘法解出唯一的椭球参数式如下：

将多个测得值(xi,yi,zi)代入式(16)，联立线性方程式，可写为矩阵形式：

dw＝c(17)

其中：

式(17)有最小二乘解：

w＝(d^td)^-1d^tc(19)

至少选取6组不同姿态方位下磁力计测量值替代(xi,yi,zi)代入式(17)，可得w，进一步求出椭球参数(x0,y0,z0,e,f,r)。

椭球修正并进行规范化处理后的磁力计测量值为：

由于几十个的温度节点同步观测时将存在高速采集与高精度测量之间的矛盾，本发明采用多路ad芯片采样+数据总线传输的总体技术方案，以保证各温度节点的测量精度和同步性。

各微控制器在主控制器的控制下并行同步测量所连接的部分温度节点。微控制器与多片ad构成最小温度测量模块，各模块与主控制器之间基于rs-485接口通信。其优点是主控制器以广播形式可同步开启各温度测量模块，并可以根据实际测量环境的需求，灵活增加或删减测量模块的数量，便于扩展应用。

本发明拟研发出一种具备小型化、密集节点的测温阵列，且具备高精度深度定位能力的海气界面水边界层温度剖面精细化测量传感器。该传感器的研制和针对性科学实验，将为海洋近表层过程的研究，特别是小尺度海气相互作用过程(如海气通量、日变化、海洋混合、langmuir环流等)的深入认知和参数化奠定基础，填补该领域技术空白。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。