现代海底观测技术思考题

1． 海洋观测传感器分为几类

传感器是一种把物理量、化学量、生物量转换成电信号的期间。

按测量方式分类：接触型传感器：传感器需要与被测量对象实现物理接触； 非接触型传感器：传感器不需要与被测量对象实现物理接触。 按感应方式分类：电转换传感器；光转换传感器；声转换传感器。 按所测的对象特性分类：物理传感器：以物理量形式产生的响应，用来测量质量、

温度、压力、位移、加速度等；

化学传感器：用化学或物理响应测定特定的某种或多种化学物质； 微生物传感器：应用某种生物敏感基元来检测化学物质。

从信号调理角度分类：有源传感器：需要外部激励（需要有电流通过），譬如热

敏电阻等；

无源传感器：不需要外部电压或电流就能产生电输出信号，譬如光电二极管、热电偶等。

2． 讨论物理传感器和化学传感器的区别

物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号的装置。其输出的信号和输入的信号有确定的关系。主要的物理传感器温度传感器、感应式盐度传感器、电极式盐度传感器、石英压力传感器、硅阻压力传感器、机械转子式流速仪、电磁海流计、声学多普勒流速计、声学多普勒剖面测海流仪、光学多普勒流速仪。

化学传感器：能将各种化学物质的特性（如气体、离子、电解质浓度、空气湿度的）等的变化定性的或定量的转换成电信号的传感器。主要的化学传感器有：电化学传感器、营养盐分析仪、水下流动注射分析仪、基于荧光淬灭的DO传感器、光纤化学传感器、水下拉曼光谱仪、水下质谱分析仪。

3． 总结海流测量传感器的种类及特点

(1) 机械转子式流速仪：依据海流推动螺旋桨叶片所产生驱动力矩而旋转，带动 叶轮轴产生旋转周数信号(譬如霍尔元件)，根据单位时间旋转周数计算流速，其计算系为：V= Kf+c;其中V为流速，f 为旋桨转动的频率，C为仪器常数,K 为系数（水力螺距）。依据磁罗经和尾翼的方向确定流向

特点：结构简单；价格低；便于操作；机械磨损；对流场干扰大；易产生振动；启动流速低。

(2) 电磁式海流计：在一个环形线圈电流在传感头周围产生一个磁场，流动的水体作为运动导体切割磁力线，根据法拉第电磁感应定律，在磁场中运动导体的动生电动势为： E=错误！未找到引用源。 其中V为水流速度，B为磁感应强度，L为运动导体长度。

特点：无机械磨损部件；使用寿命长；启动流速低；采样方式灵活；响应滞后；精度不高；校准不方便。

(3) 声学多普勒流速计：声学多普勒海流计利用多普勒频移原理测量流速，发射器发射恒定频率的声波，三个接收端接收来自散射体的声波，通过计算频移来获取海水的XYZ三个方 海水的X, Y, Z三个方向的速度矢量。

特点：连续观测；无滞后现象；响应时间快；测量精度高；功耗较大；受温度和盐度影响较大。

(4) 声学多普勒剖面测海流仪：剖面三维海流同步测量；可以观测1 000 米的海流剖面；灵敏度高；便于监测小的流速变化；频率高则测量精度高，但减低测量距离；功耗大；测量的稳定性依赖于水体的悬浮体；测量质量与设备安装有关；

(5) 光学多普勒流速仪：测量精度高；受散射体浓度制约；信噪比较低。

4． 总结海洋化学传感器的种类及特点

电化学传感器：电位法：测量零电流下电池电位差值与响应离子的活度；对某种

特定离子具有的响应要大于对其他离子的响应的点位测定装置，即相对于合适的参考电极所测得的电极电位，与待测离子浓度（或活度）的对数成正比。 E=K+-Slog[ion] E为电极间电位，K 为常数，[ ion ]为响应离子的活度。活度与浓度之间的关系为 [ion]=rc 其中r为离子活度系数，c为离子浓度。

伏安法（电流法）：在电池极间设置氧化/还原电位来测量电池的电

流。通过研究电极在电解时得到的电流i与电压E的关系曲线，进行物质的定性及定量分析，即在一定的电极电压下，通过电极表面或其修饰层内的氧化还原反应生成的电流随时间的变化来测量分析物。

特点：响应快；灵敏度高（μM)；尺寸小（可制成小于10μm的

微电极）；不受浊度、溶液颜色的影响，适于沉积物间隙水的化学成分原位监测；只需要小量的样品；漂移较大；寿命短；

光学方法：（1）光学传感器：水下流动注射分析仪：把一定体积的试样溶液注入

到一个流动着的，非空气间隔的试剂溶液( 或水)载流中，被注入的试样溶液流入反应盘管，形成一个区域，并与载流中的试剂混合、反应，再进入到流通检测器进行测定分析的定量分析技术。通常以流动比色计或分光光度计为检测器。

特点：分析精度高，可以自动标定；分析速度

快；适用范围广；便于连续自动测量；使用寿命与试剂容量相关；结构复杂。

水下拉曼光谱仪：

特点：非接触检测；不需要对样品进行前处理；测量时

间短；可以固体、液体、气体进行检测；不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响；功耗大；结构复杂；

（2）水下质谱分析：质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子，

于磁场中按质荷比(m/z) 大小分离并记录的分析方法质谱分析可以提供样 并记录的分析方法。质谱分析可以提供样品元素组成；无机、有机及生物分析的结构；复杂混合物的定性定量分析；样品中原子的同位素比等信息。

特点：测试速度快；精度高；测量参数多；应用范围广；

结构复杂；功耗大

5． 水下悬浮物的测量通常采用那几种方法？

激光粒度仪：利用激光管衍射原理，即颗粒的大小与衍射角有关。

LISST系列激光粒度仪特点：1Hz输出；原位测量精度高；可以测量各种形状颗

粒；量程外的颗粒散射影响测量精度；大粒径的散射强度高于小粒径。

光学浊度计：光学后反射浊度传感器原理：光束在水下传播过程中，水体中颗粒

会产生吸收和散射，根据散射接收信号的角度可分为投射光、前向散射、90散射和后向散射，光学浊度计主要从两130-160角的红外散射信号。特点：抗背景光干扰能力强；体积小；输出线性好；对气泡及有机物不敏感；需要根据观测地点样品校准。

6． CTD中温度、盐度和深度测量通常采用哪些传感技术方法？

CTD测量——温度传感器

温度传感器多数采用热敏电阻或鉑电阻（电阻随温度变化而改变） 阻（电阻随温度变化而改变）；

铂电阻（电阻随温度变化而改变）；

灵敏度高、响应时间快、尺寸小、便于加工制作、温度的传输函数为指数线性；

SeaBird温度传感器定标

CTD测量——盐度传感器

利用不同盐度具有不同电导特性，通过测量单位长度和截面积的电导来计算海水盐度： R = rl/A

其中R是电导的倒数，r是比电导，L是测量水体长度，A是测量水体截 面积。（1）感应式盐度传感器：结构坚固；响应速度快；易清洗；易受电磁干扰；精度不高。（2）电极式盐度传感器：精度高；抗干扰能力强；易污染；清洗复杂。

SeaBird电导传感器定标

CTD测量——压力传感器

（1） 石英压力传感器：基于压电效应，即将外加机械应力转换成聚集

在晶体表面的静电电荷Q ，且其电位移D (在MKS 单位制中即电荷密度σ )与外应力张量T成正比：D=dT 或σ =dT式中d—压电常数矩阵。从性质上讲，可以将压电器件看成是一个有源电容器。特点：结构简单；体积小；分辨率高；线性范围大；重量轻；使用寿命长。

（2） 硅阻压力传感器：压阻效应：其半导体的电阻受到外界应力作用

时会产生相应的阻值变化其电 力作用时会产生相应的阻值变化，其电阻变化率与应力的关系如下：

其中σl、σt分别为纵向应力和横向应力。πl反映纵向应力引起纵向电阻的变化，称为纵向压阻系数；πt反映横向应力 引起纵向电阻的变化，称为横向压阻系数。特点：灵敏度高；分辨率高；频率响应宽；温度误差大。

SeaBird压力传感器温度补偿

其中h是脉冲响应函数，T是水温，Pm是测量的压力，

*是卷积操作，a , b是温度和压力校准系数

7．

什么是离子选择电极？

一类利用膜电位测定溶液中离子活度或浓度的电化学传感器（百度）

8．

光学传感器优点是什么？

光学传感器依据光学原理进行测量。其优点为非接触和非破坏性测量、几乎不受干扰、高传输，可遥控，可遥测测试速度快、应用范围广。（？）

9． 海底地震仪主要由哪几个功能模块组成？

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