海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

王愛(ài)軍趙卓英張川程紹華

(國(guó)家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心 天津 300112)

0 引言

隨著海洋強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)和海洋生態(tài)文明的建設(shè),海洋觀測(cè)預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)修復(fù)和生態(tài)文明建設(shè)等活動(dòng)更加重視海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠[1-3]。利用各種性能優(yōu)異的傳感器是獲取實(shí)時(shí)和連續(xù)海水環(huán)境參數(shù)的最直接和最有效的方法[3-6],可提供各種海洋環(huán)境參數(shù)的時(shí)空分布和變化規(guī)律,因此傳感器是海洋調(diào)查儀器的基礎(chǔ),其各方面性能是評(píng)價(jià)儀器質(zhì)量的關(guān)鍵,同時(shí)是調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量的保障[3]。

海洋傳感器的使用環(huán)境復(fù)雜多變,會(huì)受到風(fēng)、流、浪、鹽霧和生物附著等各類(lèi)環(huán)境因素的影響[1,3],再加上海洋數(shù)據(jù)種類(lèi)多和采集成本較高,因此為獲得高質(zhì)量的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),須經(jīng)常校準(zhǔn)和評(píng)價(jià)傳感器的性能[7]。計(jì)量校準(zhǔn)是利用標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)被校儀器進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量值而實(shí)現(xiàn)。未經(jīng)標(biāo)定的船載CTD鹽度數(shù)據(jù)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于《海洋調(diào)查規(guī)范》對(duì)鹽度準(zhǔn)確度為±0.02‰的測(cè)量要求[8],凸顯將船載CTD送至計(jì)量機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)的必要性。同時(shí),海洋計(jì)量在保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和推動(dòng)國(guó)內(nèi)海洋儀器產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中發(fā)揮的作用日益清晰,自研儀器的準(zhǔn)確性已成為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目關(guān)注的考核指標(biāo)。

海洋儀器用戶(hù)通常在出海前、出海后或定期將海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的傳感器送至海洋計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn),海洋計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)將新的校準(zhǔn)證書(shū)和系數(shù)提供給用戶(hù),用戶(hù)將新的系數(shù)置入儀器的配置軟件,從而確保下一次各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和可靠。在長(zhǎng)期的海洋觀測(cè)中,傳感器的穩(wěn)定性、漂移性和準(zhǔn)確性是最重要的部分[3]。海洋計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)利用多年的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)海洋傳感器的穩(wěn)定性、漂移性和準(zhǔn)確性,不斷拓展海洋儀器計(jì)量服務(wù),助力海洋儀器質(zhì)量提升。

本研究以海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)常用的溫度、電導(dǎo)率、濁度和葉綠素4個(gè)傳感器為評(píng)價(jià)對(duì)象,利用同一臺(tái)儀器多年的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)建立海洋儀器計(jì)量評(píng)價(jià)模型,系統(tǒng)評(píng)價(jià)傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,提供漂移系數(shù)方便用戶(hù)修正校準(zhǔn)周期內(nèi)的數(shù)據(jù),提升海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 評(píng)價(jià)對(duì)象和計(jì)算方法

1.1 評(píng)價(jià)對(duì)象

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)所用儀器多集成各類(lèi)傳感器,搭載在海洋調(diào)查船、海洋浮標(biāo)、海洋站和其他監(jiān)測(cè)平臺(tái)上,直接置于海水中進(jìn)行實(shí)時(shí)和連續(xù)測(cè)量,其工作原理是水下儀器測(cè)量單元通過(guò)線(xiàn)纜將數(shù)據(jù)上傳到岸上數(shù)據(jù)接收單元,通過(guò)傳感器電信號(hào)值與傳感器示值之間的公式轉(zhuǎn)化為海洋要素的測(cè)量數(shù)據(jù)。通常情況下,海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)所用的傳感器校準(zhǔn)是將傳感器電信號(hào)值和標(biāo)準(zhǔn)值相聯(lián)系的重要步驟[7],給出新的擬合系數(shù)有助于判定儀器性能。

本研究以常見(jiàn)的小型多參數(shù)水質(zhì)儀搭載的溫度、電導(dǎo)率、濁度和葉綠素傳感器為評(píng)價(jià)對(duì)象,技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 各傳感器的技術(shù)指標(biāo)

溫度傳感器和電導(dǎo)率傳感器按照《溫鹽深測(cè)量?jī)x》(JJG 763-2019)[9]進(jìn)行校準(zhǔn);濁度傳感器按照《海水濁度測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)規(guī)范》(JJF 1571-2016)[10]進(jìn)行校準(zhǔn);葉綠素傳感器選用水溶性的熒光素鈉溶液為參考標(biāo)準(zhǔn)溶液[11-12],通過(guò)配制系列標(biāo)準(zhǔn)溶液實(shí)現(xiàn)傳感器熒光性能的檢測(cè)。

1.2 傳感器的漂移系數(shù)和漂移率

利用最近一次校準(zhǔn)的傳感器電信號(hào)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行線(xiàn)性回歸,得出新的擬合公式;將往年的傳感器電信號(hào)值代入該擬合公式,計(jì)算每年校準(zhǔn)的傳感器示值和誤差;根據(jù)每年校準(zhǔn)的傳感器示值和對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算每年傳感器的漂移系數(shù)。傳感器的漂移系數(shù)(slope)的計(jì)算公式為:

式中:Y i示和Y i標(biāo)分別表示傳感器在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的示值和標(biāo)準(zhǔn)值;n表示校準(zhǔn)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

對(duì)于數(shù)據(jù)漂移嚴(yán)重的傳感器,計(jì)算每年傳感器的漂移率(δ),計(jì)算公式為:

式中:slopepost和slopepre分別表示最近一次和上一次校準(zhǔn)的傳感器漂移系數(shù);Δt表示2次校準(zhǔn)的時(shí)間間隔。

1.3 傳感器的穩(wěn)定性

傳感器的穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谝欢〞r(shí)間內(nèi)輸出信號(hào)的復(fù)現(xiàn)性程度[13],該指標(biāo)是與時(shí)間有關(guān)的真正影響因素。受海水不斷運(yùn)動(dòng)變化的影響,由于測(cè)量時(shí)間不同,同一測(cè)量點(diǎn)上各傳感器測(cè)量的海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不盡相同,無(wú)法考察儀器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器校準(zhǔn)是在同一實(shí)驗(yàn)室和同一環(huán)境條件下,由同一批實(shí)驗(yàn)人員采用同一種方法和同一種計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器,在不同時(shí)間進(jìn)行的重復(fù)性實(shí)驗(yàn),其校準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有可比性。因此,本研究利用3～5年的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 傳感器的漂移系數(shù)和漂移率

選用最近一次即2021年校準(zhǔn)的各傳感器電信號(hào)值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行擬合(圖1)。其中,溫度和電導(dǎo)率傳感器的擬合公式為多項(xiàng)式,相關(guān)系數(shù)的R2值為1;濁度和葉綠素傳感器的擬合公式為線(xiàn)性,相關(guān)系數(shù)的R2值均大于0.999。

圖1 各傳感器最近一次(2021年)校準(zhǔn)的擬合曲線(xiàn)

利用各擬合公式以及2016—2020年(2018年未送檢)各傳感器的歷年電信號(hào)值與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值,計(jì)算新的各傳感器測(cè)量值。利用計(jì)算后的各傳感器測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值,按式(1)計(jì)算各傳感器的歷年漂移系數(shù)(圖2)。

由圖2可以看出:①溫度傳感器的漂移系數(shù)前2年略大于1,后3年維持在1附近;②電導(dǎo)率和葉綠素傳感器的漂移系數(shù)基本低于1;③濁度傳感器的漂移系數(shù)基本大于1。由于每次校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值基本無(wú)變化,則漂移系數(shù)與儀器測(cè)量值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即傳感器的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值接近時(shí),漂移系數(shù)在1附近;當(dāng)傳感器的測(cè)量值低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),漂移系數(shù)大于1;當(dāng)傳感器的測(cè)量值高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),漂移系數(shù)小于1。因此,從每年的漂移系數(shù)可以得出傳感器測(cè)量值的漂移情況,若漂移系數(shù)越小或越大,傳感器測(cè)量值遠(yuǎn)離標(biāo)準(zhǔn)值,表明傳感器性能越不穩(wěn)定;若漂移系數(shù)維持在1附近,表明傳感器性能越穩(wěn)定。

圖2 擬合后的傳感器測(cè)量誤差及其漂移系數(shù)

利用漂移系數(shù),按式(2)計(jì)算各傳感器的年漂移率(表2)。

表2 各傳感器的年漂移率%

由表2可以看出,溫度、電導(dǎo)率、濁度和葉綠素傳感器的最大年漂移率分別為0.06%、0.59%、-1.18%和19.20%,表明溫度傳感器的數(shù)據(jù)漂移較小,電導(dǎo)率傳感器次之,而濁度和葉綠素傳感器的數(shù)據(jù)漂移較大。

數(shù)據(jù)漂移是指由于儀器計(jì)量特性的變化引起的示值在一段時(shí)間內(nèi)的連續(xù)或增量變化,通常以重復(fù)測(cè)量示值的平均值衡量數(shù)據(jù)漂移。分析數(shù)據(jù)漂移的原因在于海上環(huán)境復(fù)雜,各傳感器長(zhǎng)期在水下運(yùn)行,生物污染和電子元器件隨時(shí)間變化[14]等因素會(huì)導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生漂移。此外,光學(xué)傳感器的檢測(cè)窗口易被擦傷或被生物附著,導(dǎo)致劃痕較多,在一定程度上影響數(shù)據(jù)質(zhì)量;如果在光學(xué)傳感器上增加1個(gè)清潔刷,定期清掃傳感器檢測(cè)窗口,就能夠保護(hù)傳感器檢測(cè)窗口,在一定程度上保障光學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)可靠。

對(duì)于傳感器數(shù)據(jù)存在漂移的情況,將每年的傳感器漂移系數(shù)(圖2中的slope值)與對(duì)應(yīng)年份的傳感器測(cè)量值相乘,可實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)修正。①溫度傳感器修正前的歷年誤差大部分為負(fù)值,誤差范圍為-0.15℃～0.05℃,修正后的誤差為±0.04℃,2019—2021年的誤差為±0.01℃。②電導(dǎo)率傳感器修正前的歷年誤差均為正值,誤差范圍為0.03～2.00 mS/cm,修正后的誤差為±0.15 mS/cm,2019—2021年的誤差為±0.01 mS/cm。③濁度傳感器修正前的歷年誤差大部分為負(fù)值,誤差范圍為-3.00～0.50 NTU,修正后的誤差為±0.60 NTU。④葉綠素傳感器修正前的歷年誤差均為正值,誤差范圍為0～100μg/L,修正后的誤差為±2.2μg/L。由此可見(jiàn),修正前傳感器的測(cè)量誤差重復(fù)性較差且呈單向增量變化,通過(guò)漂移系數(shù)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后,傳感器的測(cè)量誤差有所降低,均在傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度內(nèi),且呈正態(tài)分布。因此,利用傳感器歷年校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算的漂移系數(shù)為生產(chǎn)廠商和用戶(hù)提供校準(zhǔn)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)修正方法,可在一定程度上提升傳感器的性能,確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠。

2.2 傳感器的穩(wěn)定性

在計(jì)量學(xué)上,測(cè)量?jī)x器的穩(wěn)定性是指測(cè)量?jī)x器的計(jì)量特性隨時(shí)間恒定不變的能力,通常需要通過(guò)多個(gè)周期的測(cè)試才能確定。海洋計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)利用同一傳感器連續(xù)多年的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來(lái)分析海洋傳感器的穩(wěn)定性。

同一傳感器每年定期送至海洋計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn),在相同的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置、相同的校準(zhǔn)方法、相同的操作程序、相同的操作條件和相同的地點(diǎn)對(duì)同一被測(cè)儀器進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量,傳感器的測(cè)量值具有一定的可比性。因此,按照同一回歸公式,將各傳感器歷年電信號(hào)值轉(zhuǎn)化為傳感器測(cè)量值,再比較傳感器測(cè)量值與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的差即傳感器測(cè)量誤差的重復(fù)性,即可評(píng)價(jià)傳感器的穩(wěn)定性。

由圖2可以看出,溫度傳感器2016—2017年的測(cè)量誤差為-0.30℃～0.20℃,波動(dòng)較大,2019—2020年的測(cè)量誤差在0附近,表明傳感器測(cè)量誤差的重復(fù)性較好,由于每年的標(biāo)準(zhǔn)值基本不變,即傳感器的測(cè)量值重復(fù)性較好;電導(dǎo)率和葉綠素傳感器歷年測(cè)量誤差整體正向漂移,表明傳感器的測(cè)量值低于標(biāo)準(zhǔn)值;濁度傳感器歷年測(cè)量誤差整體負(fù)向漂移,表明傳感器的測(cè)量值高于標(biāo)準(zhǔn)值。因此,當(dāng)傳感器歷年測(cè)量誤差均為正向或負(fù)向誤差,即誤差向同一個(gè)方向變化時(shí),表明傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生漂移即性能不穩(wěn)定;當(dāng)傳感器歷年測(cè)量誤差在0附近輕微波動(dòng)時(shí),表明傳感器測(cè)量值穩(wěn)定即傳感器性能穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

由于海上調(diào)查的成本高且周期長(zhǎng),海洋儀器一旦性能不穩(wěn)定或出現(xiàn)系統(tǒng)故障,會(huì)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量和成本效益。因此,本研究以溫度、電導(dǎo)率、濁度和葉綠素4個(gè)傳感器為評(píng)價(jià)對(duì)象,以同一傳感器3～5年內(nèi)的歷史校準(zhǔn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),形成海洋傳感器性能評(píng)價(jià)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能評(píng)價(jià);根據(jù)數(shù)據(jù)的漂移趨勢(shì)判斷數(shù)據(jù)的修正方法,提供的修正系數(shù)可修正傳感器在2次校準(zhǔn)周期內(nèi)的數(shù)據(jù),修正前的測(cè)量誤差大且為單向增量變化,修正后的測(cè)量誤差降到傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度內(nèi)且呈正態(tài)分布。

隨著全國(guó)海洋觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè),為提高海洋生態(tài)災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)和海洋防災(zāi)減災(zāi)等能力,海洋浮標(biāo)、岸基平臺(tái)和船舶等搭載的自動(dòng)化儀器將越來(lái)越多,海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析、應(yīng)用和共享將更加強(qiáng)化[15],對(duì)海洋儀器的性能和測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提出高質(zhì)量要求。因此,各海洋觀測(cè)節(jié)點(diǎn)須定期送檢各類(lèi)傳感器,確保儀器的性能可靠和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確;海洋計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)充分發(fā)揮歷史計(jì)量數(shù)據(jù)的作用,建立傳感器性能評(píng)價(jià)模型,為海洋觀測(cè)網(wǎng)提供儀器的參考?jí)勖?通過(guò)提供漂移系數(shù)有利于觀測(cè)網(wǎng)修正傳感器校準(zhǔn)周期內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù),確保長(zhǎng)期測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠,助力全國(guó)海洋觀測(cè)網(wǎng)和海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)。