本發(fā)明涉及海洋儀器領(lǐng)域，具體地說，涉及一種用于海氣界面水邊界層溫度剖面精細(xì)測(cè)量的漂流浮標(biāo)。

背景技術(shù)：

海洋和大氣是全球天氣和氣候系統(tǒng)中兩個(gè)最重要的組成部分。海洋和大氣之間存在著廣闊的交界面，通過交界面海洋與大氣之間交換動(dòng)量、熱量和物質(zhì)。海-氣界面交換過程不僅能夠影響天氣過程的形成和演化，而且對(duì)全球氣候系統(tǒng)的維持和變化也有重要影響。隨著全球氣候變暖及海洋-大氣耦合研究的不斷深入，海氣界面過程研究已成為當(dāng)今海洋科學(xué)研究的焦點(diǎn)問題之一。

太陽輻射是海洋獲得熱能的主要來源，在海氣界面水邊界層0-0.5米深度內(nèi)的海水所吸收的太陽輻射能占滲透到海洋中太陽輻射能總量的50％。這個(gè)范圍內(nèi)的海水對(duì)熱量在海-氣間的傳輸起著重要的作用。其溫度場(chǎng)對(duì)海氣界面強(qiáng)迫作用的響應(yīng)，對(duì)于深入認(rèn)知海氣界面過程、改進(jìn)海洋混合和海氣通量參數(shù)化方案等具有重要的科學(xué)意義。但是除了太陽輻射引起的變化外，海氣溫差、風(fēng)速、降雨、波浪、環(huán)流等過程，都會(huì)對(duì)海氣界面水邊界層中溫度和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因此，水邊界層溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出變化劇烈，結(jié)構(gòu)精細(xì)，不穩(wěn)定的狀態(tài)。

在觀測(cè)技術(shù)上，水上主要是以紅外輻射測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)海表皮溫的測(cè)量，這一技術(shù)的代表包括衛(wèi)星sst遙感和現(xiàn)場(chǎng)紅外輻射測(cè)量技術(shù)。目前使用的sst紅外測(cè)量裝置主要有：高分辨率紅外輻射計(jì)(hrir)，溫度—濕度紅外輻射計(jì)(thir)，掃描輻射計(jì)(sr)，甚高分辨力輻射計(jì)(vhrr)，高級(jí)甚高分辨力輻射計(jì)(avhrr)，中分辨率成像光譜儀(modis)等?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備還包括紅外ccd等。但由于其測(cè)量結(jié)果受海況，觀測(cè)角度，傳輸通道等干擾較多，測(cè)量精度較低。此外，sst現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)模型的建立及其計(jì)算精度很大程度上也取決于水邊界層溫度場(chǎng)直接測(cè)量的精度和精細(xì)化程度。

水下主要是采用多種新型平臺(tái)進(jìn)行水邊界層溫度場(chǎng)的直接觀測(cè)，例如：xbt、gliderctd以及sbe911plusctd等溫度剖面測(cè)量設(shè)備。這些測(cè)量設(shè)備目前技術(shù)相對(duì)成熟，較好解決了海面1m以下的溫度剖面測(cè)量問題，但對(duì)于作用最為重要的水邊界層測(cè)量，存在精細(xì)化程度不夠，剖面測(cè)量數(shù)據(jù)不同步，以及對(duì)溫度場(chǎng)擾動(dòng)較大等一系列問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述不足，本發(fā)明提出一種具備小型化、密集溫度傳感器陣列，具備精密水位定位和深度測(cè)量能力，具備準(zhǔn)實(shí)時(shí)衛(wèi)星通訊能力的毫米級(jí)海氣界面水邊界層溫度剖面精細(xì)測(cè)量浮標(biāo)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種海氣界面水邊界層溫度剖面精細(xì)測(cè)量浮標(biāo)，包括浮標(biāo)主體，所述浮標(biāo)主體設(shè)有測(cè)溫桿、位于測(cè)溫桿下段的微型溫度傳感器陣列、位于測(cè)溫桿上段的高密度微型溫度傳感器陣列、以及位于高密度微型溫度傳感器陣列兩側(cè)的開放式電容陣列；

所述測(cè)溫桿設(shè)有若干微控制器，所述微控制器通過總線連接設(shè)于測(cè)溫桿的主控制器；

每個(gè)所述微控制器連接多路ad芯片，每路ad芯片連接若干所述微型溫度傳感器；

所述每路ad芯片及其連接的若干所述微型溫度傳感器構(gòu)成溫度采集單元，所述每個(gè)微控制器及其所連接的溫度采集單元構(gòu)成溫度測(cè)量模塊；

所述浮標(biāo)主體頂部設(shè)有衛(wèi)星通訊天線。

進(jìn)一步的，所述測(cè)溫桿總長(zhǎng)70cm，其中上段30cm為高密度微型溫度傳感器陣列，分布300個(gè)微型溫度傳感器；下段40cm為微型溫度傳感器陣列，分布40個(gè)微型溫度傳感器。

更進(jìn)一步的，所述微型溫度傳感器為基于薄膜熱敏材料的高精度溫度傳感器，采用懸空橋路結(jié)構(gòu)，依靠襯底兩端支撐薄膜熱敏電阻層，使其吸收的熱功率只能從薄膜熱敏電阻層兩端擴(kuò)散傳遞到下端襯底上，降低擴(kuò)散系數(shù)。

優(yōu)選的所述襯底為si襯底，用與si襯底特性相近的硬質(zhì)玻璃作為探頭的封裝材料，采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝。

進(jìn)一步的，所述測(cè)溫桿上各微型溫度傳感器的嵌入點(diǎn)采用高精度數(shù)控技術(shù)進(jìn)行加工制作，加工精度達(dá)到±0.01mm。

進(jìn)一步的，所述浮標(biāo)主體還設(shè)置軍工級(jí)高精度標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源以固定周期對(duì)傳感器的各節(jié)點(diǎn)信號(hào)采樣電路進(jìn)行自校準(zhǔn)。

進(jìn)一步的，所述開放式電容陣列包括若干電容器節(jié)點(diǎn)和若干公共端；所述電容器節(jié)點(diǎn)和公共端交替排列，在其外部空間形成開放式的電場(chǎng)，當(dāng)海水在上方空間出現(xiàn)時(shí)，會(huì)引起相應(yīng)的電容器節(jié)點(diǎn)與公共端之間電容發(fā)生變化，從而精準(zhǔn)定位入水傳感器節(jié)點(diǎn)。

更進(jìn)一步的，所述開放式電容陣列采用2d陣列，增加電容器節(jié)點(diǎn)的分布密度。

進(jìn)一步的，所述測(cè)溫桿尾端以及浮標(biāo)主體頂部分別放置一部高精度壓力傳感器；所述浮標(biāo)主體頂部的高精度壓力傳感器用于測(cè)量海面氣壓，并通過建立的誤差補(bǔ)償模型對(duì)測(cè)溫桿尾端的高精度壓力傳感器進(jìn)行修正，以此保證基準(zhǔn)水深的測(cè)量精度達(dá)±0.2mm。

進(jìn)一步的，所述浮標(biāo)主體設(shè)有重量調(diào)節(jié)模塊，用于調(diào)節(jié)重心。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

基于新型熱敏材料的微型化傳感器陣列是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)。利用有限元仿真分析懸空橋路結(jié)構(gòu)對(duì)la0.7sr0.3mno3材料的溫度擴(kuò)散系數(shù)的影響；分析該結(jié)構(gòu)的接觸點(diǎn)噪聲源對(duì)探頭整體噪聲影響，優(yōu)化溫度探頭模型。采用mems制備工藝，設(shè)計(jì)微米級(jí)溫度傳感器封裝，實(shí)現(xiàn)其微型化、可集成陣列應(yīng)用。

高精度液位自動(dòng)檢測(cè)是溫度剖面精細(xì)化測(cè)量的重要保障參數(shù)，本發(fā)明采用基于開放式電容陣列的高精度液位自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，并結(jié)合首尾兩端萬分之二高精度壓力傳感器基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)算各微型溫度傳感器的實(shí)際深度。

本發(fā)明在保證較高采樣頻率的前提下，設(shè)計(jì)了合理的自校準(zhǔn)系統(tǒng)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供參數(shù)。為減小對(duì)水邊界層的擾動(dòng)，保持連續(xù)測(cè)量的穩(wěn)定性，優(yōu)化了浮標(biāo)外形結(jié)構(gòu)和重心、浮心位置，使浮標(biāo)具有較為穩(wěn)定的姿態(tài)，確保正常觀測(cè)海況下對(duì)海表溫度的精細(xì)化觀測(cè)深度。

附圖說明

圖1a是測(cè)量浮標(biāo)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖；

圖1b是測(cè)量浮標(biāo)整體結(jié)構(gòu)的右視結(jié)構(gòu)圖；

圖2是薄膜材料懸空結(jié)構(gòu)的制備過程圖；

圖3是微型溫度傳感器的深度測(cè)量原理圖；

圖4是開放式電容器陣列液位檢測(cè)原理圖；

圖5是液面層電容變化圖；

圖6是2d電容器陣列圖；

圖7是rc振蕩檢測(cè)電路圖；

圖8是基于總線的溫度陣列模塊化設(shè)計(jì)方案圖。

其中：

1、測(cè)溫桿上段；2、測(cè)溫桿下段；3、電池倉；

4、吊環(huán)；5、微型溫度傳感器；6、開放式電容陣列；

7、高密度微型溫度傳感器陣列；8、微型溫度傳感器陣列；

9、浮標(biāo)主體頂部的高精度壓力傳感器；

10、測(cè)溫桿尾端的高精度壓力傳感器；

11、衛(wèi)星通訊天線；12、密封殼體；13、主控制器；

14、采集電路；15、電池；16、環(huán)氧樹脂封裝；

17、si襯底；18、緩沖層；19、薄膜電阻材料層；

20、薄膜熱敏電阻層；

具體實(shí)施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

如圖1所示，本發(fā)明所述浮標(biāo)主體為三段可分離的圓柱體結(jié)構(gòu)，從下至上分別是電池倉3與配重段、傳感器及采樣模塊段、主控單元及通訊模塊段。所述主控單元及通訊模塊段設(shè)有密封殼體12，內(nèi)部設(shè)有主控制器13，在該段的頂端安裝衛(wèi)星通訊天線11；所述電池倉與配重段設(shè)有電池倉3，安裝電池15、柔性纜及重量調(diào)節(jié)模塊，該段下方設(shè)有吊環(huán)4；所述傳感器及采樣模塊段設(shè)有一測(cè)溫桿，測(cè)溫桿總長(zhǎng)70cm，其中測(cè)溫桿上段1長(zhǎng)30cm，為高密度微型溫度傳感器陣列7，分布300個(gè)微型溫度傳感器5，測(cè)溫桿下段2長(zhǎng)40cm，為微型溫度傳感器陣列8，分布40個(gè)微型溫度傳感器5；該浮標(biāo)以自由漂浮狀態(tài)在海面上連續(xù)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)以衛(wèi)通等無線傳輸方式回傳。

其中，關(guān)于微型溫度傳感器5的制備說明如下，本發(fā)明的微型溫度傳感器5采用懸空橋路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只靠襯底兩端支撐薄膜，使其吸收的熱功率只能從薄膜熱敏材料兩端擴(kuò)散傳遞到下端襯底上，就可大大降低其擴(kuò)散系數(shù)。

薄膜熱敏電阻在不同襯底、不同結(jié)構(gòu)下的噪聲水平可以影響提高傳感器的測(cè)量精度。通過分析比較，本發(fā)明以la0.7sr0.3mno3材料良好的熱敏特性為基礎(chǔ)，開展mems微結(jié)構(gòu)的薄膜溫度傳感器研制。

基于上述原理，本發(fā)明在溫度為670℃和蒸餾臭氧壓力為6.7×10^-5pa條件下，采用超真空分子束外延方法在si襯底17上沉積得到厚度為20nm的srtio3緩沖層18；在溫度為720℃和34.7pa氧氣壓力下，采用脈沖激光沉積方法在srtio3緩沖層18上制備厚度為75nm的la0.7sr0.3mno3薄膜電阻材料層19(如圖2的(a))和厚度為10nm的金屬電極層(如圖2的(b))；將樹脂層置于上述金屬電極層上(如圖2的(c))，使用圖案電極掩膜板置于樹脂層上，并通過紫外線刻蝕技術(shù)去除周圍多余的金屬層，然后采用濕法刻蝕技術(shù)去除樹脂層，得到圖案金屬電極層(mems金屬電極)，如圖2的(d)；結(jié)合掩模板和離子刻蝕技術(shù)去除多余的樹脂層和la0.7sr0.3mno3薄膜電阻材料層19(如圖2的(e))，最終形成la0.7sr0.3mno3薄膜熱敏電阻層20和金屬電極層(如圖2的(f))，整個(gè)制備流程如圖2所示。

為了保證薄膜熱敏探頭對(duì)海表溫度的直接測(cè)量，我們采用與薄膜襯底(si)特性相近的硬質(zhì)玻璃作為探頭的封裝材料，該類玻璃導(dǎo)熱良好，容易與si襯底進(jìn)行修飾。同時(shí)，考慮到探頭與本體結(jié)構(gòu)的密封問題，采用環(huán)氧樹脂封裝16，保證連接部位的密封性和可靠性。

溫度傳感器陣列中各節(jié)點(diǎn)所在的實(shí)際深度，是描述水邊界層溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)的重要信息。但是由于浮標(biāo)主體在波浪和海面風(fēng)作用下，一直處于波動(dòng)狀態(tài)，其水線位置、偏離垂直軸的擺動(dòng)始終處于變化之中，每一次測(cè)量均需要明確各傳感器節(jié)點(diǎn)的即時(shí)深度。而由于傳感器陣列密集排列，一般常用鉭絲、光電、硅阻應(yīng)變式等深度傳感器受體積、測(cè)量精度、測(cè)量值不連續(xù)、響應(yīng)速度滯后等原因，無法達(dá)到要求。因此本發(fā)明還設(shè)計(jì)了開放式電容陣列6的高精度液位自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)算各微型溫度傳感器5的實(shí)際深度。如圖3所示，如果對(duì)海表首個(gè)微型溫度傳感器5位置進(jìn)行精確檢測(cè)后，在測(cè)溫桿長(zhǎng)l以及各微型溫度傳感器5間距l(xiāng)i已知的條件下，以測(cè)溫桿尾端的高精度壓力傳感器10所測(cè)深度h作為基準(zhǔn)測(cè)深點(diǎn)，按照公式(1)，即可測(cè)算出測(cè)溫桿各微型溫度傳感器5的實(shí)際深度hi：

為滿足浮標(biāo)在海面波動(dòng)情況下對(duì)水下0～200mm范圍內(nèi)高分辨率的測(cè)量，設(shè)計(jì)傳感器陣列高密度段長(zhǎng)度為300mm。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可通過配重對(duì)水線位置進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)浮標(biāo)由于波浪發(fā)生一定傾斜時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)垂直間隔小于1mm，也能滿足溫度剖面分辨率1mm的指標(biāo)要求。

如圖1所示，本發(fā)明在高密度微型溫度傳感器陣列7設(shè)有開放式電容陣列6結(jié)構(gòu)，用于構(gòu)建感應(yīng)電容傳感器陣列，精準(zhǔn)定位入水傳感器節(jié)點(diǎn)。

如圖4所示，“電容器節(jié)點(diǎn)”與“公共端”之間交替排列，在他們的外部空間中會(huì)形成開放式的電場(chǎng)。當(dāng)海水在上方空間出現(xiàn)時(shí)，會(huì)對(duì)開放式電場(chǎng)造成干擾。從而引起相應(yīng)的“電容器節(jié)點(diǎn)”與“公共端”之間電容發(fā)生變化。

因此，將“電容器節(jié)點(diǎn)”與“公共端”在空間上以一定的方式進(jìn)行排列，當(dāng)海表液位到達(dá)一定位置的時(shí)候，不同的“電容器節(jié)點(diǎn)”會(huì)感應(yīng)到不同的電容分布，并呈現(xiàn)如圖5的迅速下降趨勢(shì)，利用電容容量變化率的大小進(jìn)行檢測(cè)，這種類似于觸摸按鍵或者電容式觸摸屏的探測(cè)技術(shù)，可以滿足海表1mm空間分辨率的液面檢測(cè)。此外，如圖6所示，設(shè)計(jì)2d陣列增加“電容器節(jié)點(diǎn)”的分布密度達(dá)到0.2mm以內(nèi)，通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄌ岣咭好嫖恢门袛嗟臏?zhǔn)確性。

上述電容陣列的制備：選型sn摻雜的n型氧化物半導(dǎo)體in2o3膜，通過化學(xué)蝕刻法(絲印工藝)進(jìn)行圖形制備，形成的產(chǎn)品電極圖形可以達(dá)到傳感器陣列毫米級(jí)的空間分辨率要求。

電容器陣列的檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)如圖7的rc振蕩比較網(wǎng)絡(luò)測(cè)量電路，通過檢測(cè)rc振蕩次數(shù)即弛張振蕩的方法來判讀溫度陣列中各節(jié)點(diǎn)的液面狀態(tài)。圖中比較器ca、電阻rc以及電容器csensor一起構(gòu)成一個(gè)張馳振蕩器結(jié)構(gòu)。csensor上有無海水都相應(yīng)的改變張馳振蕩器的諧振頻率，采樣該振蕩頻率就可以檢測(cè)到電容器陣列中所有的csensor變化，進(jìn)行算法處理后就能準(zhǔn)確定位測(cè)溫桿上處于液面下的第一個(gè)微型溫度傳感器。使用開放式電容器陣列檢測(cè)液位的方法，得到的是電容陣列數(shù)值的密集分布數(shù)字量，具有很好的抗干擾性和準(zhǔn)確研判能力。

為了進(jìn)一步保證測(cè)算深度的準(zhǔn)確性，本發(fā)明還采取兩項(xiàng)措施，一是測(cè)溫桿上各微型溫度傳感器的嵌入點(diǎn)采用高精度數(shù)控技術(shù)進(jìn)行加工制作，加工精度可達(dá)到±0.01mm。二是在測(cè)溫桿尾端以及浮標(biāo)頂部分別放置一部高精度壓力傳感器，浮標(biāo)主體頂部的高精度壓力傳感器9測(cè)量海面氣壓，并通過建立的誤差補(bǔ)償模型對(duì)測(cè)溫桿尾端、萬分之二精度的高精度壓力傳感器10進(jìn)行修正，以此保證基準(zhǔn)水深的準(zhǔn)確度其測(cè)量精度可達(dá)±0.2mm。

多達(dá)數(shù)百個(gè)的微型溫度傳感器5同步觀測(cè)時(shí)將存在高速采集與高精度測(cè)量之間的矛盾，為保證各微型溫度傳感器±0.01℃的測(cè)量精度和同步性，本發(fā)明的采集電路14設(shè)計(jì)了以多路ad芯片采樣+數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)姆桨?，來達(dá)到項(xiàng)目指標(biāo)要求。

如圖8所示，各微控制器在主控制器13的控制下并行同步測(cè)量所連接的部分微型溫度傳感器5。微控制器與多片ad構(gòu)成最小溫度測(cè)量模塊，各模塊與主控制器13之間基于rs-485接口通信。其優(yōu)點(diǎn)是主控制器13以廣播形式可同步開啟各溫度測(cè)量模塊，并可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境的需求，靈活增加或刪減測(cè)量模塊的數(shù)量，便于擴(kuò)展應(yīng)用。

由于環(huán)境溫度、濕度變化對(duì)電子元器件自身電氣特性帶來的不確定性將引起測(cè)量誤差，為保證每次采樣幾百個(gè)微型溫度傳感器5的測(cè)量數(shù)據(jù)都在測(cè)量精度范圍內(nèi)，采用軍工級(jí)高精度標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源以固定周期對(duì)傳感器的各節(jié)點(diǎn)信號(hào)采樣電路進(jìn)行自校準(zhǔn)，通過比對(duì)電路初始參數(shù)，建立數(shù)據(jù)補(bǔ)償模型，消除因?yàn)榄h(huán)境交替變化以及傳感器間轉(zhuǎn)換的非線性帶來的測(cè)量誤差。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。