新型的基于倾角法海流测量仪的研究与开发

摘要：为了在海流测量中更好地使用海流计获取真实的流速和流向信息，设计了一种新型的基于倾角法的海流测量仪。该测量仪采用Atmel公司开发的低功耗、高性能的CMOS型AT89S52单片机，通过串行口与上位机通信，利用VC++6．0友好的设计界面以及Matlab的绘图功能，实现对原始采集数据大容量存储、回放处理功能。海流测量仪操作简单，运行稳定，有较好的应用前景。
关键词：海洋调查；海流计；倾角法；VC++；Matlab

0 引言
21世纪是海洋的世纪，开发利用海洋资源是解决陆地资源逐渐匮乏的重要途径，各国政治、经济、科技也都离不开海洋。为了合理利用开发海洋资源，努力实现海洋资源的可持续利用，需要使用仪器设备对海洋进行调查、研究。其中，海流作为海洋水文三要素(海浪、海流、潮汐)之一，是海洋调查中不可或缺的参数，同时也是物理海洋学家们非常关注的海洋要素。掌握流场规律，可以更好地为国防、海运、渔业、港建等服务。
目前，海流的测量包括流速和流向两个参数，海流的测量方法根据所采用的方式和手段分为两类：漂流浮标测流法以及定点观测法。其中海流计是最常用的测流仪器。海流计从原理上又可分为机械旋桨式海流计、电磁流速计、声学多普勒海流计以及剖面海流仪等。国外海流计的研究起步较早，技术较成熟，1905年瑞典首先设计制造了厄克曼海流计；挪威生产的安德拉海流计，是目前全世界使用最广泛的海流计，最大使用深度为6000m；另外，美国生产的S4型电磁海流计，流速准确度高达±1cm／s，流向准确度为±2°。国内海流计的研究起步相对较晚，20世纪50—70年代主要以机械海流计为主，90年代国家海洋局海洋技术研究所研制的SLLY4—1型深水流速计，最大工作水深4000m。
与国外产品相比，国内海流计价格相对低廉，但是稳定性、测量精度等方面不及国外，因此市场占有率较低。本文介绍的基于倾角法的海流测量仪可测流速为0～300 cm／s，准确度为(0．02±1)cm／s，流向为0～360°，准确度为±2°。它采用低功耗、高性能的CMOS型AT89 S52单片机，通过串行口与上位机通信，利用VC++6．0友好的设计界面以及Matlab的绘图功能，对原始采集数据进行存储、回放。该测量仪操作相对简单，运行稳定，应用前景较为广阔。

1 测量仪原理及设计
海流是海水大规模并且相对稳定的流动，是海水比较重要的普遍运动形式之一。海流的观测包括流向和流速两个参数。其中，流速是单位时间海水流动的距离，单位为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，单位为(°)；规定正北为0，顺时针进行旋转。
1．1 工作原理
本文设计的海流测量仪，是一种新型的基于倾角法的测流技术。外壳采用封闭式防水钢结构，主要包括圆柱型仪器仓、导流双翼、方型框架、重锤4部分。倾角法海流测量仪的外部结构图如图1所示。

理想状态下，如果海水有运动，在导流双翼的作用下，内含传感器的圆柱型仪器仓绕着x轴旋转；固定仪器仓的方型框架则会绕着x轴转动；倘若流速是固定值，那么圆柱型仪器仓的倾斜方向最终会与流向保持一致；与此同时，由于受到海流的影响，在导流双翼作用下，圆柱型仪器仓会产生不同程度的倾斜，其倾斜角与流速成一定比例关系，表达式如式(1)所示：

式中：V为通过海流测量仪的流速；θt为倾斜角；θ0为无流时的倾斜角；θD为举、拉中心和测量仪轴之间的夹角；θf为翼弦线和测量仪轴之间的夹角；τ90为无流时使测量仪倾斜90°所需要的扭矩；A为测量仪的区域(投影到平行测量仪轴的平面上)；LD为从转轴到拉力作用中心的距离；CD为拉力系数；CL为升力系数；ρ为海水密度。在实际应用中，不但海流会对测量仪产生作用力，还会有多种因素参与其中，因此设计测量仪的结构时，应充分考虑各个因素的影响，力求将影响减至最低。