海洋微结构湍流是海水动量、能量、热量和质量的重要输运方式，对海水流速、温盐特性和颗粒态物质的分布等多种海洋环境参数都有显著影响[1]，海洋内部湍流混合[2]是物理海洋学的一个重要分支，长时间大面积的海洋湍流观测需求也带动了海洋湍流观测技术的飞速发展．文献[3]在水平拖体上安装热膜风速计标志着湍流剖面观测的开始，其获取数据被拖体和船的振动导致数据不准确，在20世纪60~90年代，出现第一代垂向自由、半自由落体观测设备以解决水平拖体观测仪器的自身振动和船体对仪器的影响，同时文献[4-6]分别对剪切探头的测量精度、传输信号及获取信号进行研究．来自德国的ISW Washer公司和Sea&Sun公司共同为MSS(型号)系列有缆式剖面仪提供技术支持，MSS60系列 的最大测量深度为400 m，MSS90系列的最大深度可达到2 000 m，配备吊放绞车，连接通信电缆至船上的数据处理平台，能够实时获取仪器下方运动过程中的深度、速度及传感器测量的数据等参数．我国在2000年初开始研究湍流剖面仪，天津大学学者研制第一代、第二代垂直湍流剖面仪微结构[7]及基于水下滑翔机的湍流剖面仪[8]．此外，文献[9-10]都进行了湍流剖面仪的研制．我国海洋湍流研究面临浅海向深远海发展，由于湍流数据采集系统面临长时间长距离采集湍流数据，且耐压结构需要足够的深海耐压性能，因此深海湍流剖面仪的研究成为必然趋势．本研究内容如下：设计湍流剖面仪数据采集系统用以采集湍流数据，主要包括剪切流传感器电路和快速温度探头处理电路，采用MSP430微处理进行数据通信和处理；仿真钛合金材料在深海湍流观测中的耐压性能，对比多种耐压材料，钛合金材料在5 000 m深海环境中的耐压性能占优．1 湍流剖面仪图1为湍流仪受力图与整体结构图．剖面仪的整体结构如图1(b)所示，剖面仪整体全长为2.3 m，最大直径为0.4 m，其架构主要包括回收环、铱星信标、浮体、电子仓、电池仓、高度计、探头及防触底环．剖面仪以自由落体的形式在水中运动，下降过程中受到三个力如图1(a)所示：剖面仪重力(G)、剖面仪浮力(Ff)及剖面仪受到的水阻力(FD)．10.13245/j.hust.220415.F001图1湍流仪受力图与整体结构图剖面仪的工作过程如下．a. 初入水阶段：剖面仪的重力远大于剖面仪的浮力及受到的水阻力，剖面仪以加快运动下降．b. 匀速运动阶段：随着运动速度的增加，剖面仪在水中受到的水阻力也增加，当三力平衡时，剖面仪速度达到稳定值，即正常工作速度，在此速度下，剪切流传感器、温度/盐度/深度(CTD)传感器通过数据采集系统分别对剪切信号、温度/盐度/深度信号等进行采样，姿态传感器和高度计将实时采集剖面仪姿态和深度信息，采集的数据均保存在数据存储卡，同时判断是否须要对释放器进行抛载．c. 加快上升阶段：当剖面仪下降到预设高度时，剖面仪触发释放器，剖面仪的浮力大于剖面仪重力及剖面仪受到的水阻力，剖面仪以加快运动上升．其中匀速运动阶段为湍流数据测量阶段，加快上升阶段为布放回收做准备，当剖面仪漂浮在海面后，通过铱星信标确定回收位置．湍流动能耗散率决定了垂直剖面仪的最小下降速度，剪切流传感器的共振频率决定了垂直剖面仪的最大下降速度，下降速度范围在0.07~1.00 m/s．如果垂直剖面仪下降速度太小，竖直方向的速度波动会引起较大的测量误差，剖面仪本身更易受到海洋环境干扰，如侧向流造成剖面仪倾斜超过±10°，此时的剖面仪不能正常工作；如果下降速度太大，剪切流传感器周围环境的湍流脉动频率可能与传感器的固有频率相近，造成剪切流传感器在测量过程中发生共振现象，从而产生较大的测量误差；若下降速度较大，则能减小竖直方向速度波动对垂直剖面仪测量的影响．因此下降速度选择0.4~0.8 m/s．2 剖面仪数据采集系统数据采集系统是将被测对象(外部世界、现场)的各种参量(可以是物理量，也可以是化学量、生物量等)通过各种传感元件或做适当转换后，再经信号调理、采集、量化、编码及传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程．控制器一般由微处理器承担，微处理器是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理及保存[11]．2.1　整体数据采集系统剖面仪的数据采集系统如图2所示，搭载的传感器设备有：两支剪切探头(PNS06)；一支快速温度探头(FP07)；温度、盐度、深度(CTD)传感器；姿态传感器．剪切探头和快速温度探头用于获取微尺度的海水剪切流速及剪切温度数据，它是研究海水湍流运动规律和获取湍动能耗散率的重要原始资料．数据采集系统主要实现三个功能．a. 数据采集：在匀速下降阶段，剪切探头、快速温度探头采集湍流数据，CTD传感器获取温度/盐度/深度数据，姿态传感器获取姿态角和加速度数据．b. 数据存储：传感器采集到的信息通过微处理器预定的指令存贮到数据存储卡．c. 数据通信及控制：主要通过微处理器进行采集任务的开始、结束及控制回传数据．CTD传感器用以测量海洋中的温度、盐度、深度信息；在湍流仪下降过程中，姿态角和加速度是评价平台运动稳定的重要依据，反映了微结构传感器采集数据的准确性．姿态传感器由加速度计和陀螺仪组成，用以测量剖面仪的三轴姿态角、位置及加速度，能够测量到静态条件下俯仰/翻转角为0.2°，最大值为0.25°；在动态条件下，测量的角度典型值为0.3°，最大值为1°．CTD传感器和姿态传感器均有自带的处理电路，不用进行相应的信号处理电路．10.13245/j.hust.220415.F002图2剖面仪数据采集系统结构图2.2　剪切流传感器和快速温度探头图3为剪切流处理电路，图中：R1~R7为电阻；C1~C3为电容．如图3所示，剪切探头的敏感元件是压电陶瓷，受到湍流的剪切力作用后，压电陶瓷产生变形得到电荷，通过电荷转换器得到对应电压信号，因湍动能耗散率[12-13]ε=7.5ν(∂μ¯/∂z)2=7.5∫k1k2φ(k)dk，(1)式中：v为海水运动学黏性系数，其大小与海水温度、盐度和密度有关；∂μ¯/∂z 为适当长度内的空间平均；φ(k)为耗散谱；k1为波数的下限，k2为波数的上限．10.13245/j.hust.220415.F003图3剪切流处理电路由式(1)可知输出的电压信号须经过电压微分器，从而有一定的衰减，再通过增益放大器进行放大，增益放大器放大原信号的11倍，此时的信号含有对湍流信号无用的高频噪声，再经过150 MHz的低通滤波器滤除高频干扰信号．快速温度处理电路采集湍流在耗散过程中由于能量交换产生的温度变化，以此获得湍流快速温度变化的信息，电路如图4所示，图中：R8~R10为电阻；C4~C6为电容．快速温度探头通过FP07热敏电阻在1 m/s 速度下可以实现 7 ms 的超快响应时间．快速温度探头输出的模拟信号与FP07热敏电阻的电阻成正比，设计模拟信号前置放大．由于FP07热敏电阻的响应时间是7 ms，对应信号带宽23 Hz，NTC (负温度系数传感器) 电路的响应结束时间是11~12 ms，因此对应截止频率约为13~14 Hz，因FP07热敏电阻在13 Hz以后产生信号衰减，不足以获取良好的温度谱，为延长FP07热敏电阻的信号带宽须要额外增加频率补偿，放大信号通过频率补偿电路后分为NTC-HP(高通滤波器)和NTC两路信号，NTC-HP信号通过截止频率为100 Mz预加重电路、150 MHz的低通滤波电路后获得较高频率下信噪比较好的NTC信号，NTC信号是FP07频率扩展后的信号．10.13245/j.hust.220415.F004图4快速温度处理电路2.3　微处理器微处理器如MSP430、80C51单片机、PIC16C61单片机等，其中，MSP430[14]是TI公司生产的超低功耗微处理器，其性能分三方面．a. 功耗：电源电压采用1.8~3.6 V低电压，关断状态下耗电仅0.1 μA，工作模式耗电250 pA/MIPS(MIPS为每秒百万条指令数)，IO 输入端口的漏电流最大仅为50 nA．b. 处理能力：MSP430 系列单片机是 16 位单片采用当前流行的精简指令集(reduced instruction set computer， RISC)结构，具有125 ns指令周期，拥有16位多功能的运算逻辑单元．c. 外围电路：12位的模数转换器、2种16位定时器及比较器，支持通用异步收发(UART)、内部集成电路(I2C)、串行外设接口(SPI)三种通信协议．MSP430因其具有特低功耗、强大的处理能力和丰富的外围电路，十分适合作为湍流采集和控制的监测系统．微处理器是微型计算机的一个重要分支，在同步电路中，系统采用全局时钟来控制各功能部件以实现必要的同步操作，其所有的触发器的状态变化均与输入的脉冲信号同步．随着集成电路技术的发展，单芯片上集成的晶体管数量越来越多、性能越来越强，同步微处理由于同步时钟的约束问题越来越严重，包括时钟偏移、系统功耗、电磁干扰等．异步微处理器由于没有全局同步时钟，因此系统采用握手协议实现各功能模块的时序及相互操作．握手协议是一种保证异步电路各个组件之间数据流动并且不发生冲突的一种机制．相对于同步电路，异步电路具有无时钟偏移、模块化程度高、功耗低、延时速度低等优势[15]．发挥异步集成电路低功耗和高性能的特点需要合适的对象，如待机很频繁容易实现低功耗，处理数据速度快(即延时低)容易实现高性能，因此异步微处理器可以使用在湍流数据采集系统．然而，目前的异步微处理器没有业界统一的设计方法和成熟的计算机辅助软件．3 耐压性能仿真及分析湍流剖面仪主要应用于海洋湍流数据监测，随着布放深度的增加，电池舱、电子舱、探头舱等作为湍流剖面仪的重要组成部分，其机械结构所承受载荷和压力的性能要求不断提升，须要克服深海高压、高盐、低温环境带来的不利影响，并且所有的电子元器件均在密封的耐压舱内，一旦耐压舱出现结构破损，舱体漏水，将会引起数据采集系统短路烧毁整个电路板甚至电控系统崩溃以致剖面仪丢失的恶性事故，所以舱体材料的选择及其抗压结构的设计至关重要．很长一段时间，我国海军装备的耐压壳体所采用的材料基本上是碳钢、铝合金、不锈钢，或者是以玻璃钢为代表的复合纤维增强材料．欧美国家曾经也选用过这些常规材料，但之后大多转为用钛合金[16-17]，且最终应用效果良好，特别是在大尺度、超潜深水下装备结构应用上发挥巨大作用．钛合金的主要特征为密度低、强度高、耐低温、化学性质稳定，具有良好的抗腐蚀能力(包括海水、王水及氯气)，是水下装备的首选材料之一．到21世纪初，世界上只有俄罗斯、美国和中国进行专门的船用钛合金研究，并形成自有钛合金体系．我国钛合金的研究和应用始于20世纪50年代，在我国海洋装备用钛合金系列中，不同种类钛合金的屈服强度从320 MPa至1 100 MPa的范围不等[18]．在深海应用材料中，钛合金有优于不锈钢等常规工程结构材料的耐腐蚀性，而且具有更低的密度，有利于减轻湍流剖面仪的整体设计质量，更方便海上布放回收等操作．本研究选择 TC4 钛合金作为湍流剖面仪的电子舱和电池舱等部件的舱体材料，并采用圆筒形结构设计，外径为120 mm，壁厚为18 mm，总长度为200 mm，舱体两端端盖为半球形．钛合金TC4化学成分为Ti6A14V，具有良好的机械力学性能，强度高，热导率和弹性模量较低．与常用的不锈钢材料AISI304 (06Cr19Ni10) 相比，二者基本属性如表1所示[19]．10.13245/j.hust.220415.T001表1两种材料基本物理属性材料密度/(kg∙m-3)弹性模量/GPa屈服强度/MPa泊松比不锈钢 AISI3048 000190.02070.29钛合金TC44 500118.68270.33有限元方法是一种寻求对某些很难获得解析结果的问题的场变量分布的近似解，是一种数值解法，有限元法同计算机辅助设计软件(本研究使用Ansys软件)相互集成整合，形成由可视化技术、仿真技术、数值分析技术及虚拟图像技术综合于一体的有限元分析FEA (finite element analysis)方法[20]．利用有限元分析方法，基于上述两种材质，建立数字分析模型．为节省计算资源，提高计算效率，利用几何模型的对称性进行适当的结构简化处理，最后将三维实体进行网格划分，加载压力载荷，设定边界条件，对5 000 m海水深度条件下湍流剖面仪主要部件耐压舱的结构强度进行了力学模拟分析，对比结果如图5和6．10.13245/j.hust.220415.F005图5剖面仪耐压舱结构力学仿真应力分布(色标单位：107N∙m-2)10.13245/j.hust.220415.F006图6剖面仪耐压舱结构力学仿真安全系数分布图5和6分别反映了应用两种材料的剖面仪耐压舱结构在5 000 m深海压力条件下的力学性能情况，具体参数对比结果见表2．从图5和6及表2可以看出：两种材料对应的剖面仪耐压舱结构在5 000 m深海压力条件下，其应力分布范围和趋势基本一致，二者的最大应力值均小于材料的屈服强度，但是从安全系数分布数据来看，采用TC4钛合金的耐压舱结构的最小安全系数是不锈钢的4倍，且分布范围更广．通过耐压舱的结构力学仿真，材料应用的可行性得到了验证．从结果可以看出，钛合金材料在深海条件下的失效安全系数相对较高，具备更好的耐压性能．10.13245/j.hust.220415.T002表2应用两种材料的耐压舱结构力学仿真计算结果材 料5 km水压载荷/MPa应力分布范围/MPa安全系数分布范围AISI304500.0~187.71.10~7.15TC4500.0~185.24.47~29.074 结语本研究介绍湍流剖面仪的整体结构，对其工作过程和下降速度进行说明，针对湍流剖面仪的数据采集系统，设计剪切流处理电路和快速温度处理电路，微处理器采用超低功耗、高性能的MSP430单片机；同时，针对钛合金材料在深海湍流剖面仪中的运用，采用有限元方法对耐压舱进行有限元仿真分析，在5 000 m深海压力下，AISI304和 TC4最大应力值均小于材料的屈服强度，TC4的最小安全系数是AISI304的4倍，从而说明钛合金材料TC4在耐压性能上具有明显优势．