化學(xué)傳感器鏈的集成及其在龜山島海底熱液區(qū)的實(shí)際應(yīng)用

秦華偉，應(yīng)崎偉

杭州電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程研究所，浙江杭州 310018

0 引言

龜山島近岸海底熱液具有強(qiáng)酸性和強(qiáng)還原性的特點(diǎn)[1-5]，本次工作使用的四具傳感器上集成的探測(cè)元件包括溫度、pH、Eh和總?cè)芙釮2S。將四具傳感器按4m間隔固定在纜繩上，組成傳感器鏈，對(duì)龜山島近岸的海底熱液區(qū)進(jìn)行了拖曳式探測(cè)。

本文主要研究水下數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)、化學(xué)傳感器鏈的集成和應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

采集器由信號(hào)檢測(cè)、濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與處理、通信傳輸?shù)炔糠纸M成[8]。

1.2 低功耗設(shè)計(jì)

由于傳感器鏈要在水下拖曳，所以采用的供電電池體積不能過(guò)大。但是在拖曳式探測(cè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須連續(xù)工作，因此一定要滿足低功耗的要求。要實(shí)現(xiàn)低功耗，可以從2個(gè)方面進(jìn)行：

1）選擇功耗較低的元器件。能滿足一種功能的芯片有很多,但是它們之間的功耗可能相差很大,供電電壓、封裝尺寸也可能不同，因此可以選擇功耗較低的元器件；

2）低功耗的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于某一時(shí)間不工作的元器件，通過(guò)開關(guān)芯片等切斷元器件的供電電源，降低功耗。

1.3 系統(tǒng)精度設(shè)計(jì)

傳感器上的信號(hào)是直流信號(hào)。對(duì)直流信號(hào)而言，輸入信號(hào)VIN與與輸出信號(hào)VOUT有如下關(guān)系：

令R1=R2， 輸 入 電 壓 VREF= 0.625V， 可 以 得 到VOUT= 1.25? VIN。對(duì)于在-800mV～800mV范圍內(nèi)的VIN信號(hào) ，VOUT輸出范圍在425mV～2050mV之間，滿足ADC模塊的輸入信號(hào)范圍要求。

系統(tǒng)測(cè)量值精度為 ：2.5÷ 212= 0.61mV，精度滿足系統(tǒng)要求。

2 數(shù)據(jù)采集器的集成封裝

圖1 機(jī)械封裝示意圖

由于白泉附近的測(cè)量環(huán)境是在一個(gè)溫度小于100℃，壓力小于0.3 MPa，但相對(duì)酸性的環(huán)境，為防止測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象影響測(cè)量結(jié)果，采用耐腐蝕的高分子材料（尼龍）來(lái)封裝電極和電路板。整個(gè)傳感器筒的尺寸為長(zhǎng)280mm，直徑72mm，總重量在空氣中僅3kg，如圖2所示。

對(duì)于尼龍而言，其屈服強(qiáng)度σ0.2= 54.88MPa ，取ns=2，則有 ：

尼龍的抗拉強(qiáng)度σb=83.3MPa ，取nb=3，則有 ：

所以取許用應(yīng)力[σ]t=27.44MPa 。內(nèi)徑Di為72mm，PC使用壓力為0.3Mpa，那么壁厚厚度δ應(yīng)該為：

取腐蝕余量為1.5mm，加工余量0.5mm，為了防止失穩(wěn)，取圓整厚度δ=12mm。

則機(jī)械封裝殼外徑 D0=72+2×12=96mm 。

故本設(shè)計(jì)需按短圓筒進(jìn)行穩(wěn)定性校核：

其中，安全系數(shù)m取3。

所以，電路腔壁厚的設(shè)計(jì)是安全的。

3 傳感器鏈與拖曳作業(yè)

將四具傳感器按一定間隔固定在纜繩上，組成傳感器鏈，對(duì)龜山島近岸的海底熱液區(qū)進(jìn)行了拖曳式探測(cè)。

由于白泉深19m，所以A、B、C、D四個(gè)傳感器筒體分別綁在距離海面2m、6m、10m、14m深度上組成傳感器鏈，如圖3所示。黃泉口深10m，所以A、B、C、D四個(gè)傳感器筒體分別綁在距離海面1m、3m、5m、7m深度上組成傳感器鏈，如圖4所示。傳感器鏈由作業(yè)船拖曳，以白泉點(diǎn)為中心，以較慢的速度繞圈行駛（～0.4 kph）.

圖3 白泉上方傳感器鏈集成圖

圖4 黃泉上方傳感器鏈集成圖

4 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

在白泉、黃泉上方，傳感器鏈都按拖曳了約35分鐘，獲得了一系列連續(xù)的pH、EH、溫度等數(shù)據(jù)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)為后續(xù)的分析工作提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于采集過(guò)程中，數(shù)據(jù)量非常大，所以數(shù)據(jù)采集結(jié)果只提供如表1所示的一定時(shí)間段內(nèi)白泉上方傳感器筒體A中數(shù)據(jù)采集器采集到的原始數(shù)據(jù)。

表1 白泉A上方A筒體中數(shù)據(jù)采集器在下午1點(diǎn)左右采集到的原始數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

將商業(yè)溫度傳感器和自制pH電極、Eh電極集成的傳感器筒體串連成傳感器鏈，拖曳式探測(cè)了臺(tái)灣東北部龜山島附近海域的白色熱泉和黃色熱泉泉口海底熱液，獲得了一系列實(shí)地海底熱液數(shù)據(jù)，為下一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理提供了良好的基礎(chǔ)。

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