可测上升流的三维瞬时海流传感器的研究

海洋中的上升流直接影响着海水生态系统的初级生产力，不仅关系到海洋生物、海洋水产养殖和海洋渔业，而且与赤潮产生密切相关。海洋上升流的实时获取至关重要，但是上升流的速度一般极其微小，目前国内外还没有较好测量仪器。本项目旨在设计出一种能够消除重力、浮力和温度影响的可测上升流的力放大测量系统，建立具有自补偿功能的力放大测量系统的力学模型；提出新的微力加载方法，研制出满足可测上升流的三维瞬时海流传感器标定需要的三维力标定装置和三维流速标定装置；通过两步标定的方法，获得传感器的静态性能和动态特性，提出实时获取传感器流速信息的算法；探索传感器噪声源的特征，为传感器的弱信号设计合理的调理电路，提出理想的信号处理方法。本项目的研究将为可测上升流的三维瞬时海流传感器的研究提供理论依据、技术支持和实验样机。

海洋中的上升流直接影响着海水生态系统的初级生产力，不仅关系到海洋生物、海洋水产养殖和海洋渔业，而且与频率剧增、危害极大的赤潮产生密切相关。海洋上升流的实时获取至关重要，但是上升流的速度通常只是水平流速的百分之一或千分之一，甚至更小，流速大小有时仅为每天几米或更小的数量级；不论是获得维间差异这样大的三维流速，还是感知如此微小的上升流速，都将是极具挑战的工作。目前国内外还没有较好测量仪器。通过三年来团队的共同努力，本项目提出了一种能够消除重力、浮力和温度影响的可测上升流的力测量系统，建立了具有自补偿功能的力放大测量系统的力学模型；通过流体力学和固体力学的数值模拟分析计算，设计出一种新型三维海流传感器，并证明了所设计的传感器不仅能够测量0.1mm/s级以下的微弱上升流速，而且可以测量维间流速差异达100倍以上的三维海流。提出新的微力加载方法，设计了基于柔性铰链的差动式垂直微力发生机构，能够实现百分之一μN级到百分之一N级的大量程范围的三维力加载和标定，从而满足可测上升流的三维瞬时海流传感器的标定需要。提出了一种新的压力标定装置，并研制了压力模拟实验装置，能够在深水大压力下产生高精度的Pa级压力变化，压力变化值和水深压力的比值可以到达百万之一，可以满足大量程范围的高绝对精度的传感器压力实验。为传感器的弱信号设计开发了具有较强的抗噪声干扰能力的调理电路，并制作了数据存储、处理和通讯的单片机系统。根据实际情况，设计并研制了能够模拟三维海流的三维实验平台，并对其进行了位置精度校准，探讨了平台的低速性、平稳性、精密性，开发了平台的闭环控制系统的硬件及软件。本项目的研究成果将为可测上升流的三维瞬时海流传感器的研究提供理论依据、技术支持和简易的实验平台。