新型的基于傾角法海流測量儀的研究與開發(fā)

摘要：為了在海流測量中更好地使用海流計獲取真實的流速和流向信息，設(shè)計了一種新型的基于傾角法的海流測量儀。該測量儀采用Atmel公司開發(fā)的低功耗、高性能的CMOS型AT89S52單片機，通過串行口與上位機通信，利用VC++6．0友好的設(shè)計界面以及Matlab的繪圖功能，實現(xiàn)對原始采集數(shù)據(jù)大容量存儲、回放處理功能。海流測量儀操作簡單，運行穩(wěn)定，有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：海洋調(diào)查；海流計；傾角法；VC++；Matlab

0 引言
21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，開發(fā)利用海洋資源是解決陸地資源逐漸匱乏的重要途徑，各國政治、經(jīng)濟、科技也都離不開海洋。為了合理利用開發(fā)海洋資源，努力實現(xiàn)海洋資源的可持續(xù)利用，需要使用儀器設(shè)備對海洋進(jìn)行調(diào)查、研究。其中，海流作為海洋水文三要素(海浪、海流、潮汐)之一，是海洋調(diào)查中不可或缺的參數(shù)，同時也是物理海洋學(xué)家們非常關(guān)注的海洋要素。掌握流場規(guī)律，可以更好地為國防、海運、漁業(yè)、港建等服務(wù)。
目前，海流的測量包括流速和流向兩個參數(shù)，海流的測量方法根據(jù)所采用的方式和手段分為兩類：漂流浮標(biāo)測流法以及定點觀測法。其中海流計是最常用的測流儀器。海流計從原理上又可分為機械旋槳式海流計、電磁流速計、聲學(xué)多普勒海流計以及剖面海流儀等。國外海流計的研究起步較早，技術(shù)較成熟，1905年瑞典首先設(shè)計制造了厄克曼海流計；挪威生產(chǎn)的安德拉海流計，是目前全世界使用最廣泛的海流計，最大使用深度為6000m；另外，美國生產(chǎn)的S4型電磁海流計，流速準(zhǔn)確度高達(dá)±1cm／s，流向準(zhǔn)確度為±2°。國內(nèi)海流計的研究起步相對較晚，20世紀(jì)50—70年代主要以機械海流計為主，90年代國家海洋局海洋技術(shù)研究所研制的SLLY4—1型深水流速計，最大工作水深4000m。
與國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)海流計價格相對低廉，但是穩(wěn)定性、測量精度等方面不及國外，因此市場占有率較低。本文介紹的基于傾角法的海流測量儀可測流速為0～300 cm／s，準(zhǔn)確度為(0．02±1)cm／s，流向為0～360°，準(zhǔn)確度為±2°。它采用低功耗、高性能的CMOS型AT89 S52單片機，通過串行口與上位機通信，利用VC++6．0友好的設(shè)計界面以及Matlab的繪圖功能，對原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、回放。該測量儀操作相對簡單，運行穩(wěn)定，應(yīng)用前景較為廣闊。

1 測量儀原理及設(shè)計
海流是海水大規(guī)模并且相對穩(wěn)定的流動，是海水比較重要的普遍運動形式之一。海流的觀測包括流向和流速兩個參數(shù)。其中，流速是單位時間海水流動的距離，單位為m／s或cm／s；流向是以地理方位角表示的，是指海水流去的方向，單位為(°)；規(guī)定正北為0，順時針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
1．1 工作原理
本文設(shè)計的海流測量儀，是一種新型的基于傾角法的測流技術(shù)。外殼采用封閉式防水鋼結(jié)構(gòu)，主要包括圓柱型儀器倉、導(dǎo)流雙翼、方型框架、重錘4部分。傾角法海流測量儀的外部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

理想狀態(tài)下，如果海水有運動，在導(dǎo)流雙翼的作用下，內(nèi)含傳感器的圓柱型儀器倉繞著x軸旋轉(zhuǎn)；固定儀器倉的方型框架則會繞著x軸轉(zhuǎn)動；倘若流速是固定值，那么圓柱型儀器倉的傾斜方向最終會與流向保持一致；與此同時，由于受到海流的影響，在導(dǎo)流雙翼作用下，圓柱型儀器倉會產(chǎn)生不同程度的傾斜，其傾斜角與流速成一定比例關(guān)系，表達(dá)式如式(1)所示：

式中：V為通過海流測量儀的流速；θt為傾斜角；θ0為無流時的傾斜角；θD為舉、拉中心和測量儀軸之間的夾角；θf為翼弦線和測量儀軸之間的夾角；τ90為無流時使測量儀傾斜90°所需要的扭矩；A為測量儀的區(qū)域(投影到平行測量儀軸的平面上)；LD為從轉(zhuǎn)軸到拉力作用中心的距離；CD為拉力系數(shù)；CL為升力系數(shù)；ρ為海水密度。在實際應(yīng)用中，不但海流會對測量儀產(chǎn)生作用力，還會有多種因素參與其中，因此設(shè)計測量儀的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)充分考慮各個因素的影響，力求將影響減至最低。