一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标制造技术

本实用新型专利技术公开一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，采用基于新型热敏材料的微型温度传感器阵列，设计微米级温度传感器封装，实现其微型化、可集成阵列应用，采用基于开放式电容阵列的高精度液位自动检测技术，并结合首尾两端万分之二高精度压力传感器基准，实现精准测算各温度节点的实际深度，并设计了合理的自校准系统，为后续数据处理提供参数，确保正常观测海况下对海表温度的精细化观测深度。

A fine measurement buoy for the temperature profile of water boundary layer at sea air interface

The utility model discloses a water air sea boundary layer temperature profile of fine measuring buoy, using micro temperature sensor array model based on the design of heat sensitive materials, micron temperature sensor package, realize the miniaturization and integration of array application, the automatic detection technology of high accuracy level open capacitance based on array, combined with 2/10000 pendulous high precision pressure sensor to achieve accurate measurement datum, the actual depth of each temperature node, and the design of the self calibration system reasonably, to provide parameters for subsequent data processing, to ensure the normal observation conditions of fine observation depth of sea surface temperature.

【技术实现步骤摘要】
一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标
本技术涉及海洋仪器领域，具体地说，涉及一种用于海气界面水边界层温度剖面精细测量的漂流浮标。
技术介绍
海洋和大气是全球天气和气候系统中两个最重要的组成部分。海洋和大气之间存在着广阔的交界面，通过交界面海洋与大气之间交换动量、热量和物质。海-气界面交换过程不仅能够影响天气过程的形成和演化，而且对全球气候系统的维持和变化也有重要影响。随着全球气候变暖及海洋-大气耦合研究的不断深入，海气界面过程研究已成为当今海洋科学研究的焦点问题之一。太阳辐射是海洋获得热能的主要来源，在海气界面水边界层0-0.5米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。但是除了太阳辐射引起的变化外，海气温差、风速、降雨、波浪、环流等过程，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。在观测技术上，水上主要是以红外辐射测量技术实现对海表皮温的测量，这一技术的代表包括卫星SST遥感和现场红外辐射测量技术。目前使用的SST红外测量装置主要有：高分辨率红外辐射计(HRIR)，温度—湿度红外辐射计(THIR)，扫描辐射计(SR)，甚高分辨力辐射计(VHRR)，高级甚高分辨力辐射计(AVHRR)，中分辨率成像光谱仪(MODIS)等。现场测量设备还包括红外CCD等。但由于其测量结果受海况，观测角度，传输通道等干扰较多，测量精度较低。此外，SST现场校准模型的建立及其计算精度很大程度上也取决于水边界层温度场直接测量的精度和精细化程度。水下主要是采用多种新型平台进行水边界层温度场的直接观测，例如：XBT、GliderCTD以及SBE911PLUSCTD等温度剖面测量设备。这些测量设备目前技术相对成熟，较好解决了海面1m以下的温度剖面测量问题，但对于作用最为重要的水边界层测量，存在精细化程度不够，剖面测量数据不同步，以及对温度场扰动较大等一系列问题。
技术实现思路
针对上述不足，本技术提出一种具备小型化、密集温度传感器阵列，具备精密水位定位和深度测量能力，具备准实时卫星通讯能力的毫米级海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标。本技术的技术方案是这样实现的：一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，包括浮标主体，所述浮标主体设有测温杆、位于测温杆下段的微型温度传感器阵列、位于测温杆上段的高密度微型温度传感器阵列、以及位于高密度微型温度传感器阵列两侧的开放式电容阵列；所述测温杆设有若干微控制器，所述微控制器通过总线连接设于测温杆的主控制器；每个所述微控制器连接多路AD芯片，每路AD芯片连接若干所述微型温度传感器；所述每路AD芯片及其连接的若干所述微型温度传感器构成温度采集单元，所述每个微控制器及其所连接的温度采集单元构成温度测量模块；所述浮标主体顶部设有卫星通讯天线。进一步的，所述测温杆总长70cm，其中上段30cm为高密度微型温度传感器阵列，分布300个微型温度传感器；下段40cm为微型温度传感器阵列，分布40个微型温度传感器。更进一步的，所述微型温度传感器为基于薄膜热敏材料的高精度温度传感器，采用悬空桥路结构，依靠衬底两端支撑薄膜热敏电阻层，使其吸收的热功率只能从薄膜热敏电阻层两端扩散传递到下端衬底上，降低扩散系数。优选的所述衬底为Si衬底，用与Si衬底特性相近的硬质玻璃作为探头的封装材料，采用环氧树脂进行封装。进一步的，所述测温杆上各微型温度传感器的嵌入点采用高精度数控技术进行加工制作，加工精度达到±0.01mm。进一步的，所述浮标主体还设置军工级高精度标准信号源以固定周期对传感器的各节点信号采样电路进行自校准。进一步的，所述开放式电容阵列包括若干电容器节点和若干公共端；所述电容器节点和公共端交替排列，在其外部空间形成开放式的电场，当海水在上方空间出现时，会引起相应的电容器节点与公共端之间电容发生变化，从而精准定位入水传感器节点。更进一步的，所述开放式电容阵列采用2D阵列，增加电容器节点的分布密度。进一步的，所述测温杆尾端以及浮标主体顶部分别放置一部高精度压力传感器；所述浮标主体顶部的高精度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测温杆尾端的高精度压力传感器进行修正，以此保证基准水深的测量精度达±0.2mm。进一步的，所述浮标主体设有重量调节模块，用于调节重心。相对于现有技术，本技术的优点在于：基于新型热敏材料的微型化传感器阵列是本技术的关键技术。利用有限元仿真分析悬空桥路结构对La0.7Sr0.3MnO3材料的温度扩散系数的影响；分析该结构的接触点噪声源对探头整体噪声影响，优化温度探头模型。采用MEMS制备工艺，设计微米级温度传感器封装，实现其微型化、可集成阵列应用。高精度液位自动检测是温度剖面精细化测量的重要保障参数，本技术采用基于开放式电容阵列的高精度液位自动检测技术，并结合首尾两端万分之二高精度压力传感器基准，实现精准测算各微型温度传感器的实际深度。本技术在保证较高采样频率的前提下，设计了合理的自校准系统，为后续数据处理提供参数。为减小对水边界层的扰动，保持连续测量的稳定性，优化了浮标外形结构和重心、浮心位置，使浮标具有较为稳定的姿态，确保正常观测海况下对海表温度的精细化观测深度。附图说明图1a是测量浮标整体结构设计图；图1b是测量浮标整体结构的右视结构图；图2是薄膜材料悬空结构的制备过程图；图3是微型温度传感器的深度测量原理图；图4是开放式电容器阵列液位检测原理图；图5是液面层电容变化图；图6是2D电容器阵列图；图7是RC振荡检测电路图；图8是基于总线的温度阵列模块化设计方案图。其中：1、测温杆上段；2、测温杆下段；3、电池仓；4、吊环；5、微型温度传感器；6、开放式电容阵列；7、高密度微型温度传感器阵列；8、微型温度传感器阵列；9、浮标主体顶部的高精度压力传感器；10、测温杆尾端的高精度压力传感器；11、卫星通讯天线；12、密封壳体；13、主控制器；14、采集电路；15、电池；16、环氧树脂封装；17、Si衬底；18、缓冲层；19、薄膜电阻材料层；20、薄膜热敏电阻层；具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。如图1所示，本技术所述浮标主体为三段可分离的圆柱体结构，从下至上分别是电池仓3与配重段、传感器及采样模块段、主控单元及通讯模块段。所述主控单元及通讯模块段设有密封壳体12，内部设有主控制器13，在该段的顶端安装卫星通讯天线11；所述电池仓与配重段设有电池仓3，安装电池15、柔性缆及重量调节模块，该段下方设有吊环4；所述传感器及采样模块段设有一测温杆，测温杆总长70cm，其中测温杆上段1长30cm，为高密度微型温度传感器阵列7，分布300个微型温度传感器5，测温杆下段2长40cm，为微型温度传感器阵列8，分布40个微型温度传感器5；该浮标以自由漂浮状态在海面上连续测量，测量数据以卫通等无线传输方式回传。其中，关于微型温度传感器5的制备说明如下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，包括浮标主体，所述浮标主体设有测温杆、位于测温杆下段的微型温度传感器阵列、位于测温杆上段的高密度微型温度传感器阵列、以及位于高密度微型温度传感器阵列两侧的开放式电容阵列；所述测温杆设有若干微控制器，所述微控制器通过总线连接设于测温杆的主控制器；每个所述微控制器连接多路AD芯片，每路AD芯片连接若干所述微型温度传感器；所述每路AD芯片及其连接的若干所述微型温度传感器构成温度采集单元，所述每个微控制器及其所连接的温度采集单元构成温度测量模块；所述浮标主体顶部设有卫星通讯天线。

【技术特征摘要】
1.一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，包括浮标主体，所述浮标主体设有测温杆、位于测温杆下段的微型温度传感器阵列、位于测温杆上段的高密度微型温度传感器阵列、以及位于高密度微型温度传感器阵列两侧的开放式电容阵列；所述测温杆设有若干微控制器，所述微控制器通过总线连接设于测温杆的主控制器；每个所述微控制器连接多路AD芯片，每路AD芯片连接若干所述微型温度传感器；所述每路AD芯片及其连接的若干所述微型温度传感器构成温度采集单元，所述每个微控制器及其所连接的温度采集单元构成温度测量模块；所述浮标主体顶部设有卫星通讯天线。2.根据权利要求1所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述测温杆总长70cm，其中上段30cm为高密度微型温度传感器阵列，分布300个微型温度传感器；下段40cm为微型温度传感器阵列，分布40个微型温度传感器。3.根据权利要求1或2所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述微型温度传感器为基于薄膜热敏材料的高精度温度传感器，采用悬空桥路结构，依靠衬底两端支撑薄膜热敏电阻层，使其吸收的热功率只能从薄膜热敏电阻层两端扩散传递到下端衬底上，降低扩散系数。4.根据权利要求3所述的一种海气界面水边界层温度剖面精细测量浮标，其特征在于，所述衬底为Si衬底，用与Si衬底特性相近的硬质玻璃作为探头的封装材料，采用环氧树脂进行封装...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓云，官晟，许丽萍，廖和琴，梁津津，吴晟，
申请(专利权)人：国家海洋技术中心，
类型：新型
国别省市：天津,12