新型的基于傾角法海流測(cè)量?jī)x的研究與開發(fā)

摘要：為了在海流測(cè)量中更好地使用海流計(jì)獲取真實(shí)的流速和流向信息，設(shè)計(jì)了一種新型的基于傾角法的海流測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x采用Atmel公司開發(fā)的低功耗、高性能的CMOS型AT89S52單片機(jī)，通過串行口與上位機(jī)通信，利用VC++6．0友好的設(shè)計(jì)界面以及Matlab的繪圖功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始采集數(shù)據(jù)大容量存儲(chǔ)、回放處理功能。海流測(cè)量?jī)x操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：海洋調(diào)查；海流計(jì)；傾角法；VC++；Matlab

0 引言
21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，開發(fā)利用海洋資源是解決陸地資源逐漸匱乏的重要途徑，各國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)、科技也都離不開海洋。為了合理利用開發(fā)海洋資源，努力實(shí)現(xiàn)海洋資源的可持續(xù)利用，需要使用儀器設(shè)備對(duì)海洋進(jìn)行調(diào)查、研究。其中，海流作為海洋水文三要素(海浪、海流、潮汐)之一，是海洋調(diào)查中不可或缺的參數(shù)，同時(shí)也是物理海洋學(xué)家們非常關(guān)注的海洋要素。掌握流場(chǎng)規(guī)律，可以更好地為國(guó)防、海運(yùn)、漁業(yè)、港建等服務(wù)。
目前，海流的測(cè)量包括流速和流向兩個(gè)參數(shù)，海流的測(cè)量方法根據(jù)所采用的方式和手段分為兩類：漂流浮標(biāo)測(cè)流法以及定點(diǎn)觀測(cè)法。其中海流計(jì)是最常用的測(cè)流儀器。海流計(jì)從原理上又可分為機(jī)械旋槳式海流計(jì)、電磁流速計(jì)、聲學(xué)多普勒海流計(jì)以及剖面海流儀等。國(guó)外海流計(jì)的研究起步較早，技術(shù)較成熟，1905年瑞典首先設(shè)計(jì)制造了厄克曼海流計(jì)；挪威生產(chǎn)的安德拉海流計(jì)，是目前全世界使用最廣泛的海流計(jì)，最大使用深度為6000m；另外，美國(guó)生產(chǎn)的S4型電磁海流計(jì)，流速準(zhǔn)確度高達(dá)±1cm／s，流向準(zhǔn)確度為±2°。國(guó)內(nèi)海流計(jì)的研究起步相對(duì)較晚，20世紀(jì)50—70年代主要以機(jī)械海流計(jì)為主，90年代國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所研制的SLLY4—1型深水流速計(jì)，最大工作水深4000m。
與國(guó)外產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)海流計(jì)價(jià)格相對(duì)低廉，但是穩(wěn)定性、測(cè)量精度等方面不及國(guó)外，因此市場(chǎng)占有率較低。本文介紹的基于傾角法的海流測(cè)量?jī)x可測(cè)流速為0～300 cm／s，準(zhǔn)確度為(0．02±1)cm／s，流向?yàn)?～360°，準(zhǔn)確度為±2°。它采用低功耗、高性能的CMOS型AT89 S52單片機(jī)，通過串行口與上位機(jī)通信，利用VC++6．0友好的設(shè)計(jì)界面以及Matlab的繪圖功能，對(duì)原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、回放。該測(cè)量?jī)x操作相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用前景較為廣闊。

1 測(cè)量?jī)x原理及設(shè)計(jì)
海流是海水大規(guī)模并且相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)，是海水比較重要的普遍運(yùn)動(dòng)形式之一。海流的觀測(cè)包括流向和流速兩個(gè)參數(shù)。其中，流速是單位時(shí)間海水流動(dòng)的距離，單位為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，單位為(°)；規(guī)定正北為0，順時(shí)針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
1．1 工作原理
本文設(shè)計(jì)的海流測(cè)量?jī)x，是一種新型的基于傾角法的測(cè)流技術(shù)。外殼采用封閉式防水鋼結(jié)構(gòu)，主要包括圓柱型儀器倉(cāng)、導(dǎo)流雙翼、方型框架、重錘4部分。傾角法海流測(cè)量?jī)x的外部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

理想狀態(tài)下，如果海水有運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)流雙翼的作用下，內(nèi)含傳感器的圓柱型儀器倉(cāng)繞著x軸旋轉(zhuǎn)；固定儀器倉(cāng)的方型框架則會(huì)繞著x軸轉(zhuǎn)動(dòng)；倘若流速是固定值，那么圓柱型儀器倉(cāng)的傾斜方向最終會(huì)與流向保持一致；與此同時(shí)，由于受到海流的影響，在導(dǎo)流雙翼作用下，圓柱型儀器倉(cāng)會(huì)產(chǎn)生不同程度的傾斜，其傾斜角與流速成一定比例關(guān)系，表達(dá)式如式(1)所示：

式中：V為通過海流測(cè)量?jī)x的流速；θt為傾斜角；θ0為無流時(shí)的傾斜角；θD為舉、拉中心和測(cè)量?jī)x軸之間的夾角；θf為翼弦線和測(cè)量?jī)x軸之間的夾角；τ90為無流時(shí)使測(cè)量?jī)x傾斜90°所需要的扭矩；A為測(cè)量?jī)x的區(qū)域(投影到平行測(cè)量?jī)x軸的平面上)；LD為從轉(zhuǎn)軸到拉力作用中心的距離；CD為拉力系數(shù)；CL為升力系數(shù)；ρ為海水密度。在實(shí)際應(yīng)用中，不但海流會(huì)對(duì)測(cè)量?jī)x產(chǎn)生作用力，還會(huì)有多種因素參與其中，因此設(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分考慮各個(gè)因素的影響，力求將影響減至最低。