0 引　言

温盐深测量仪（CTD）是海洋剖面观测和水下移动平台所使用的最基础的观测仪器。在温度–5~40℃和电导率0~70 mS/cm测量范围内，CTD以高采样率测量水体的温度和电导率，其中温度和电导率传感器动态响应时间不匹配会导致所计算的盐度产生“盐度尖峰”现象，而“盐度尖峰”现象在实际海洋环境中是不存在的。进而导致基于盐度的衍生量密度、声速等的形成累计误差，而失去使用价值或给使用者带来严重误导。

国外首先建立相应的模拟测试平台用来产生温度或盐度阶跃层，传感器以一定速度穿越阶跃层得到阶跃曲线，根据信号采集原理进行分析，对从测量曲线得到的响应函数进行时域、频域特性评价，获取动态特性指标参数，从而进一步分析对盐度计算的影响。先后研建盐度分层水槽（salt-stratified tank）^[1] 、水平闸门式水槽^[2]以及双扩散界面水槽（A double-diffusive interface tank）^[3]用于温度和电导率动态特性研究，并将研究成果用于海上数据质量控制，发挥了积极的效果。国内在海洋科学和海洋调查领域的工作者也很早就注意到温盐深测量仪的温度和电导率动态特性匹配问题。国内关于温度和电导率传感器动态特性研究主要集中在应用层面。对于动态特性导致的误差基本依赖于厂商提供的修正参数，肖波等人对SBE9plus温盐深剖仪的数据质量分析中专门分析了动态特性导致的误差分析和控制方法^[4]。

本文针对温度和电导率传感器的动态特性测试需求，研建基于双扩散原理的温盐跃层模拟测试平台，在国内实现了垂直分层的温盐跃层，解决了国内缺少动态特性测试平台的问题，并通过不同类型快速响应温度和电导率传感器验证了平台的性能和适用性。

1 动态测试平台现状

海洋跃层是在自然状态下海洋水文要素在垂直方向上产生跃变的水层，根据海洋要素可分为温度跃层、盐度跃层。由于温度和电导率（盐度）是最基础的水文参数，在此基础上进一步形成相应的密度和声速跃层。

针对CTD中的温度和电导率传感器的动态特性分析，近几年在国内也开始受到关注。2017年廖和琴等人开展了专门针对SBE9plus中配置的温度传感器海鸟SBE3的时间常数测试^[5]。2023年王朋朋等人基于水文传感器时间常数测量装置分析和研究海洋电导率传感器与阶跃层、运动速度的关系和动态指标不确定度分析^[6]。在开展海洋用温度和电导率传感器动态特性研究中，文献[5-6]中所使用的是水平放置的水箱式装置，如图1，通过闸门分隔出两个水平水浴，通过控制两个水浴的温度，或者添加氯化钾制成不同盐度水体，再配合闸门的自动开启形成短暂的阶跃环境，是一个单一参数的跃层模拟装置。

2 双扩散原理的应用

双扩散是由于海洋中热扩散系数比盐度扩散系数大1~2个数量级而产生的热盐扩散差异所导致的海洋内部混合现象。双扩散在海洋混合与热量输运中起重要作用，当海洋中的湍流运动微弱时，双扩散是形成海洋精细结构的重要现象之一。当冷而低盐度的海水位于暖而高盐度的海水之上会发生双扩散对流。双扩散对流是由于流体当中热量和盐度具有显著不同的扩散率而产生的一种复杂的对流传热传质过程。目前，国内外双扩散对流作用的研究主要用于物质输运和能量交换方面的研究。杨延涛^[7]等人利用大规模数值模拟，研究扩散对流湍流中不同组分普朗特数和施密特数对盐指型流动结构和混合输运规律的影响，模拟海洋和地球物理流动中广泛存在的自由表面和界面的混合和夹带现象如图2所示。

基于双扩散对流原理构建海洋温盐跃层是符合海洋内部自然现象的，可以同步形成具有温度跃层和盐度跃层特征的温盐跃层，从而满足动态特性测试所需的跃层条件。

3 动态特性测试平台设计与实现

依据双扩散对流原理，将较冷的淡水覆盖于热且盐度高的水体之上，通过内置制冷装置给上层水体降温，内置加热装置给下层水体升温，在热量传导作用下温盐扩散的联合效应导致两种水体在交界面上下分别产生对流混合，而在界面处产生非常大的温度和盐度梯度。同时，盐度差异保证了系统的静力稳定性，而温度差异驱动的对流，保证上下两层水体温盐的均一性，并在界面处产生温盐跃层。基于温盐跃层的动态特性测试平台构成包括：试验罐、控温系统、执行系统、调速器、位移计、加热设备、制冷设备、数据采集处理系统，如图3所示。试验罐是整个平台的主体，罐体高度5 m，选用316L不锈钢厚度10 mm，直径1100 mm钢管进行制作加工，底座采用同样材质厚度20 mm钢板焊接。在同一侧面设计5个观察窗，使用防水法兰且中间夹层为高透度耐腐蚀玻璃，如图4所示，在试验罐顶部设计专门的运动装置用于拖动被测传感器和采集数据运动拖缆，如图5所示。

平台的运行和功能的实现由三个子系统组成，包括：跃层生成与维持子系统、测试执行控制子系统和数据采集处理子系统。

3.1 温盐跃层的生成与维持

在试验罐中生成温盐跃层是开展测试的关键。根据双扩散原理，温盐跃层的生成需要逐步完成，按照图6流程执行。

根据1978实用盐标^[9]中的定义在温盐跃层生成过程中，使用氯化钾粉末配置下层高浓度盐水。在注入上层低温淡水时，要使用海绵作为缓冲缓慢注入低温淡水。随着上层水体水位升高，在上、下层水体接触面形成温盐跃层，如图7所示。

在温盐跃层界面形成后，双扩散对流系统的整体稳定性由上、下层水体密度比决定。根据双扩散对流理论^[3]，上、下层水体密度比保持在4以上，就可以使得温盐跃层可以保持数周。适当降低上、下层水体温度差，可以增加密度比，进一步增加温盐跃层界面稳定性。

3.2 测试执行控制子系统

测试执行控制子系统的设计需要带动被测传感器以0.1~3 m/s速度穿越跃层界面。其中，关键的是速度控制部分，要保证在质量≯3 kg的传感器均能实现0.1~3 m/s速度区间的跃层穿越速度。在整个测试过程中要完成加速、匀速行进和减速三个动作，以满足响应时间的测试需要并保证被测传感器和其他设备的安全，尤其是避免运动过程中发生触底碰撞。

传统的传动和控制方式无法满足测试平台对速度控制和安全的需求。整个测试执行控制子系统采用全数字化模式，由工业控制终端计算机、过程控制PLC、变频器和编码器构成数字化控制模块，如图8所示。工业控制终端计算机直接面向测试员，测试员设计速度执行参数和监控跃层状态，一方面将运动速度和跃层状态控制参数通过数字化指令发送过程控制PLC，过程控制PLC发送数字指令控制变频器和状态参数，另一方面向测试员反馈运动速度和状态参数信息，并图形化展示以便实时调整。

在速度控制上，过程控制PLC采用数字化脉冲输出方式控制伺服电机，其脉冲数n与速度v的对应关系如下：

式中：v——传感器运动速度；

n——PLC输出的脉冲数。

为了保证被测传感器下放速度的稳定，设计不同模块化的配重块。在被测传感器质量低于2 kg时，配合适当的配重块，在保证总质量不超过3 kg状态下，整个拖体下放速度的质量稳定。

3.3 数据采集处理子系统

数据采集处理子系统核心是完整且不失真采集被测传感器的动态阶跃过程中的信号。

首先，传感器的动态特性是指传感器对激励(输入)的响应(输出)特性，通常采用时间常数τ（单位：ms）表征动态特性指标。海洋中所使用温度和电导率传感器是典型的一阶响应传感器，对应的一阶传感器时间常数τ是输出上升到稳态值的63.2%所需的时间，如图9所示。

测试平台采集的被测传感器的动态阶跃信号是连续输出的电压信号。对于海洋用温度、电导率传感器输出物理量通常为电压量和频率量，在输出频率信号时要经过实时高精度频率/电压（F/V）转换，获取电压信号。在输出信号采集过程中要保证信号不失真不重叠。根据奈奎斯特时域采样定理，从取样信号中$ f\mathrm{_s}\left(t\right) $中恢复原信号$ f\left(t\right) $，需要满足两个条件：

1）$ f\left(t\right) $是带限信号，其频谱函数在$ \left|\omega \right| $ > $ \omega_m $各处为零；

2）取样频率不能过低，必须$ f_{\mathrm{s}} $>$ {2f}_{m} $，否则将发生混叠。

通常把最低允许取样频率$ f_{\mathrm{s}} $=$ {2f}_{m} $称为奈奎斯特(Nyquist)频率，把最大允许取样间隔$ T\mathrm{_s} $=$ \dfrac{1}{{2f}_{m}} $称为奈奎斯特间隔。

传感器的动态响应时，最理想的模型是将传感器看做是一个惯性环节，其传递函数可以简单地表示为：

式中：τ——传感器的时间常数；

K——常数。

惯性环节在阶跃信号作用下的响应为：

式中：t——响应时间；

$ f\left(0\right) $——阶跃作用前系统的初值；

$ f\left(\infty \right) $−阶跃作用后系统达到稳定时的输出值；

τ——时间常数；

t₀——信号阶跃的时刻。

式（3）整理后得：

式（3）将f(t)与t的关系转化为t与$ -{{\mathrm{ln}}}\left(\dfrac{f\left(\mathrm{\infty }\right)-f\left(t\right)}{f\left(\mathrm{\infty }\right)-f\left(0\right)}\right) $的线性模型，则时间常数τ和阶跃开始时刻t₀为线性关系中的系数。因此可以在阶跃时间内取一组$ {{\mathrm{ln}}}\left(\dfrac{f\left(\mathrm{\infty }\right)-f\left(t\right)}{f\left(\mathrm{\infty }\right)-f\left(0\right)}\right) $及与之对应的t，对这两组数据进行线性拟合，即可求出相应的时间常数τ和阶跃开始时刻t₀。f(0)、f(∞)、τ和t₀代入式（3）得到理想阶跃曲线，对比实际的阶跃曲线计算出两者的标准差如图10所示。

AD（Analog-Digital）采集卡是一种基于AD采集芯片、连接传感器与计算机之间的重要部件^[10]。本测试平台设计满足0.01~3.0 s之间的传感器动态特性测试。当传感器的响应时间为0.01 s（10 ms）时，系统需要具备足够快的采样率。此时域信号对应的频域分量最大的频率值为1 kHz，由耐奎斯特采样定理可知，只需要采样频率是信号最高频率的2倍以上，数据采集处理子系统实际采样频率达到最高频率的2.5倍以上实现无混叠不失真的重建信号，采用的高速数据采集板卡为16位分辨率，采样速率为20 kS/s，可以满足对时间常数0.01 s的传感器进行动态特性测试需求。

4 温盐跃层特性测定

温盐跃层作为一种自然现象，目前对温盐跃层的特点还没有专门的定义，更缺少有关其技术指标的定义。测试平台构建的温盐跃层要开展动态特性研究则必须量化其特性指标，在这里进行了以下指标的检验，并进行了典型传感器测试。

4.1 温盐场均匀性和波动性检验

依据时间常数的定义，传感器从一个稳态过渡到另一个稳态所经历的时间。在形成稳定的温盐跃层后，被测传感器要从一个上层稳态匀速穿越跃层进入另一个稳态。因此上、下层水体要具备一定的均匀性和波动性，以满足对稳态环境要求。在形成稳定的温盐跃层后，对上、下层水体的均匀性和波动性进行检验，依据JJF 1030—2010《恒温槽技术性能测试规范》设计检验方法，同时对异形恒温水槽均要求采用铂电阻和电桥完成温场检验^[11]，本测试平台水体高度远远超过现有恒温水槽，设计采用具备高精度测量的温盐一体传感器对测试平台水体完成温场特性检验如图11所示。

依据JJF 1030—2010《恒温槽技术性能测试规范》要求，在上层水体选取三个水平面表示水层水体空间，取一个上层水体空间固定点O，第一个水平面的A、B、C、D四个点，第二个水平面的P、Q、S、T四个点，第三个水平面E、F、G、H四个点。同理，在下层水体选取三个水面表示下层水体空间，取一个上层水体空间固定点O′，第一个水平面的A′、B′、C′、D′四个点，第二个水平面的P′、Q′、S′、T′四个点，第三个水平面E′、F′、G′、H′四个点。共计18个测试点，选用两台美国海鸟公司生产的SBE37温盐深测量仪，在固定点和每水平面的测试点连续测量3 min数据。

SBE37的技术指标如表1所示。

经检验，上、下层水体的稳态特性如表2、表3所示。

通过检验，平台水体在形成稳定的温盐跃层后，上、下层水体的温度差达到9.68 ℃，盐度差20.72。表明温盐跃层的温度和盐度特征显著且稳定，满足温度和电导率动态特性的测试需求。

4.2 温盐跃层界面特性检验

在形成稳定的温盐跃层界面和水体环境后，对温盐跃层界面特性进行检验，确认其符合双扩散对流原理。采用美国PME公司研制的MSCTI 125型快速温盐测量仪器用来测量电导率和温度梯度，如图12所示，获取比较准确的温盐跃层界面特性。其温度动态响应指标标称为：7 ms，电导率动态响应指标标称为：在800 Hz时约为–3 dB。但未标注其测试条件，这需要在本测试模拟装置中进行探索。MSCTI 125的温度探头和电导率探头的封装特点，使其具备快速动态响应的能力，如图13、图14所示。

MSCTI 125型快速温盐测量仪如图13所示，它由一个测温的FP07快速温度探头如图13中1和安装在一侧的快速电导率探头如图13中2组成。其中的图13中2玻璃电导率探头在被加热到软化点后弯折一定角度，使得电导率探头和球状热敏电阻只有1 mm的微小间隙，使得两个探头所测量的水体几乎是同一点。快速电导率探头采用四电极开放式微结构，在图14中1、2是电流电极，3、4是电压电极，5是四电极电导池的玻璃基底^[12]。

MSCTI 125型快速温盐测量仪穿越温盐跃层界面获取的温度跃层和盐度跃层界面如图15、图16所示。

对比图15中温度和图16中盐度特性的分布位置，可以判断出温盐跃层界面符合双扩散对流原理，首先界面处的温度和盐度是最高剧烈的，在界面两侧随着上层水体温度的减小和下层水体温度升高，盐度对应地减小和升高，在一定距离后上、下层水体分别达到了温度和盐度的稳态。第二，温度跃层温度差10 ℃，盐度跃层差在10 mS/cm，跃层特性符合设计要求。

5 典型传感器动态特性测试 5.1 海鸟SBE3温度传感器和SBE4电导率传感器

对典型传感器动态特性开展测试分析，目的是通过对已知动态特性的传感器进行验证测试平台测试的有效性。选择美国海鸟公司研制的SBE3和SBE4温度和电导率传感器，如图17所示，这两种探头是配置在SBE917/911船载温盐深剖面仪上用于海洋剖面观测。

海鸟SBE3温度传感器采用微小珠头热敏电阻作为感温部件，相比于铂电阻温度计和基于CMOS工艺的数字温度传感器^[13]，微小珠头热敏电阻快速响应的特性符合海洋剖面测量需求，技术指标如表4所示。

海鸟SBE4电导率传感器采用三电极电导池制作，其特点是电导池常数大，测量精度高、抗干扰能力强，技术指标如表5所示。

其中：SBE3温度传感器的响应时间是在流速1 m/s条件下。

按照海洋跃层分布特点，在测试中按照从高温高盐到低温低盐的过程穿越温盐跃层，如图18所示。在1 m/s的下放速度状态，完成SBE3温度传感器的动态响应性能测试，其测试曲线如图19所示。

由表6所示，通过4次温盐跃层界面穿越测试，SBE3温度传感器的动态响应指标与其标称指标符合。在多次试验后，温盐跃层界面产生波动和混合，SBE3温度传感器在穿越过程中的测量电压变化幅度变小，导致测试曲线异常变化且动态响应时间延长，测试曲线如图20所示，测试结果如表7所示。

在1 m/s的下放速度状态，按照指标约定在带有外置水泵的条件下完成SBE4电导率传感器的动态响应性能测试，如图21所示。

通过4次温盐跃层界面穿越测试，SBE4电导率传感器的动态响应指标比其标称指标较大，测试结果如表8所示，测试数据曲线如图22所示。

在多次试验后，温盐跃层界面同样出现较为严重的混合，从动态响应测试发现动态特性变差，如图23所示，测试结果如表9所示。

5.2 快速响应温盐传感器测试

在温盐跃层界面重新恢复后，对MSCTI 125型快速温度和电导率测量仪进行动态特性测试。MSCTI 125采用了温度和电导率的一体式结构方式如图12 所示。在测试过程中数据采集子系统采用双通道模式，同步采集温度和电导率动态响应的阶跃数据。

MSCTI 125快速温盐测量仪从低温淡水穿越温盐界面进入高温盐水中同步采集阶跃曲线如图24所示，由于采用负温度系数热敏电阻在图24中温度动态响应中温度动态响应曲线从高电压向低电压跃迁，电导率动态响应则相反。

按照1 m/s的运动速度完成对MSCTI 125的动态特性测试，温度和电导率的动态特性曲线分别如图25、图26所示。通过试验数据分析，MSCTI 125的温度动态响应指标如表10所示，电导率动态响应指标如表11所示，温度和电导率的动态响应特性明显优于海鸟的SBE3温度传感器和SBE4电导率传感器。同时，明确了其在1 m/s运动速度下的动态特性指标。

在跃层混合后，MSCTI 125快速温盐测量仪的动态响应特性明显降低，经过计算其温度动态响应时间为112 ms，电导率动态响应时间为134 ms，其动态响应曲线如图27所示。

5.3 试验分析

通过对海洋调查广泛使用的海鸟SBE3温度传感器和SBE4电导率传感器，以及MSCTI 125快速温盐测量仪的动态特性测试，对比分析：

1）两种类型的电导率传感器，其中点状感应元件的动态特性测试结果优于管状感应元件，且整体体积越小对于动态响应效果越佳。

2）对于SBE4电导率传感器的管状电导池外接水泵提供稳定性的流速是保证其动态特性的关键。而MSCTI 125的电导率传感器是一种开放式的四电极电导池其动态响应则无需外部水泵的支持。

3）SBE3和MSCTI 125两种类型的温度传感器均采用了点状热敏电阻，由于SBE3温度传感器的采用金属铠装壳体保护，MSCTI 125采用玻璃封装，金属铠装壳体增大了热敏电阻的动态响应时间，因此热敏电阻的保护壳体对于动态特性的影响不可忽略。

6 结束语

经过SBE3温度传感器、SBE4电导率传感器和MSCTI 125快速温盐测量仪的实验测试，验证了基于双扩散原理的温盐跃层传感器动态特性测试平台系统的可用性和适用性。从中可以得出以下结论：首先基于双扩散原理形成的温盐跃层界面技术上是可行的，能够复现垂直分层的跃层水体，试验过程中各子系统运行正常，采集数据满足动态特性分析需要。第二，基于双扩散原理形成的温盐界面的厚度有限，经测试分析在(3 ±1) cm左右，保持制冷和加热条件下能够维持稳定的分层特性。第三，传感器动态特性测试结果与跃层稳定性有着很大的关系，经过不同传感器测试验证在出现跃层混合后传感器的动态特性测试结果是不可预测，需要重新恢复跃层界面。第四，通过模拟测试平台获取的是表征传感器动态特性的一组数据，计算其算术平均值和标准偏差，表征其动态特性。

后续在完善该平台的配置和功能后，要进一步开展系统误差分析，确定系统自身对动态响应指标影响。另一方面将开展不同速度下的动态特性测试和分析。此外适用于海洋环境使用的电导率测量传感器还有感应式和七电极式，以及新型的光纤式温盐传感器，后续将分别针对新型传感器开展动态特性研究工作。