一種河口區(qū)域平均水溫測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水溫測量，尤其是涉及一種河口區(qū)域平均水溫測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 中國是世界上河流最多的國家之一，地表高低起伏，河流、湖泊眾多，水資源豐富， 在此優(yōu)勢上發(fā)展起來的養(yǎng)殖、航運(yùn)產(chǎn)業(yè)等較為發(fā)達(dá)，而且水質(zhì)與人們的生活息息相關(guān)，因此 對(duì)河流的監(jiān)測越顯得重要。河口、近岸淺海作為淡水與海水交界處，水文環(huán)境復(fù)雜，生產(chǎn)力 豐富，對(duì)其溫度的監(jiān)測極為重要。目前在對(duì)河口區(qū)域及近岸的水文監(jiān)測中主要采用單點(diǎn)入 侵式的觀測，采用溫度計(jì)、超聲測溫儀、溫鹽深儀（CTD)等手段。此類移動(dòng)式單點(diǎn)測量方法 雖然簡單易用，但因其只能監(jiān)測探頭可探測范圍，不能準(zhǔn)確反映出長距離河道的平均溫度， 從而易產(chǎn)生誤差。且這些方法在測量時(shí)需要河道中放置固定傳感器，或者將傳感器固定在 船只上，采用間歇性的走航式觀測，不能離開人為操作，所耗費(fèi)的人力物力成本較高。況且 在某些環(huán)境復(fù)雜的河道，觀測過程受漁業(yè)及航運(yùn)的影響，上述實(shí)施起來極為困難。
[0003] 聲學(xué)測量方法是利用聲波穿透整個(gè)河口區(qū)域的水體以獲得該區(qū)域的平均溫度數(shù) 據(jù)，所以可以克服單點(diǎn)測量缺點(diǎn)。早在上個(gè)世紀(jì)，已有相關(guān)學(xué)者采用該技術(shù)利用低頻聲波對(duì) 大洋進(jìn)行監(jiān)測，但只局限于在大尺度條件下應(yīng)用，而在河口測量時(shí)分辨率不足。如中國專利 CN90101944公開了一種聲學(xué)測溫方法和裝置，利用超聲脈沖使之在小范圍水體內(nèi)傳播，經(jīng) 過多次的反射，測出反射次數(shù)所經(jīng)歷的時(shí)間并由傳播路徑計(jì)算出聲速，得到平均溫度。該專 利授權(quán)的裝置主要適用于小尺度范圍測量，在對(duì)河口、沿海區(qū)域等斷面進(jìn)行測量時(shí)有較大 的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供利用聲學(xué)層析原理，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、適用范圍廣，可在 近海、河口、湖泊等水域進(jìn)行長時(shí)間的水溫測量的一種河口區(qū)域平均水溫測量裝置。
[0005] 本發(fā)明設(shè)有：
[0006] GPS模塊，GPS模塊用于對(duì)觀測站點(diǎn)進(jìn)行定位和時(shí)間同步，生成Ipps脈沖并觸發(fā)數(shù) 據(jù)采集卡的工作狀態(tài)；
[0007] 計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用基于LabVIEW編寫的用戶程序生成數(shù)字信號(hào)，發(fā)送至數(shù)據(jù)采集 卡，并處理數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字信號(hào)，激活GPS ;
[0008] 數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡用于在發(fā)射信號(hào)時(shí)將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信 號(hào)，在GPS生成的Ipps信號(hào)到達(dá)時(shí)觸發(fā)工作狀態(tài)，將模擬信號(hào)輸送至功率放大器；在接收信 號(hào)時(shí)，將濾波器輸送來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸送到計(jì)算機(jī)；
[0009] 功率放大器，功率放大器用于將數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號(hào)進(jìn)行功率放大，并輸送至 發(fā)射換能器；
[0010] 發(fā)射換能器，發(fā)射換能器用于將功率放大器放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，并 發(fā)射出去；
[0011] 接收換能器，接收換能器用于將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，并輸送到前 置放大器；
[0012] 前置放大器，前置放大器用于放大接收換能器輸出的模擬信號(hào)，并輸送至濾波 器；
[0013] 濾波器，濾波器用于對(duì)前置放大器放大后的電信號(hào)進(jìn)行濾波，并輸送至數(shù)據(jù)采集 卡；
[0014] 散熱器，散熱器用于對(duì)功率放大器進(jìn)行散熱；
[0015] 蓄電池，蓄電池為功率放大器和前置放大器提供直流電源。
[0016] 所述數(shù)據(jù)采集卡、功率放大器、前置放大器、濾波器、散熱器可集成在一個(gè)機(jī)箱中， 機(jī)箱可設(shè)有箱蓋、箱底和前面板；發(fā)射換能器和接收換能器的探頭可由不銹鋼支架固定并 放置于水中進(jìn)行探測。
[0017] 所述GPS模塊的單點(diǎn)定位精度可為I. 8m，授時(shí)精度可為20ns。
[0018] 所述數(shù)據(jù)采集卡可設(shè)有16個(gè)采樣通道，采樣精度可為16bit，采樣率可為400kS/ So
[0019] 所述發(fā)射換能器的中心頻率可為60kHz，帶寬可為40~IOOkHz ;所述接收換能器 的中心頻率可為60kHz，帶寬可為40~IOOkHz ;所述濾波器的中心頻率可為60kHz，帶寬為 40 ~IOOkHz。
[0020] 所述濾波器可采用有源帶通濾波器。
[0021] 本發(fā)明由計(jì)算機(jī)控制信號(hào)收發(fā)，GPS進(jìn)行時(shí)間同步，配合數(shù)據(jù)采集卡，再通過換能 器進(jìn)行收發(fā)信號(hào)；本發(fā)明采用高頻聲波的頻帶為40~80kHz，換能器的探頭無指向性，在河 口等水域的兩側(cè)布放觀測站點(diǎn)，發(fā)射換能器和接收換能器無需對(duì)準(zhǔn)，安裝簡易，可獲得整個(gè) 斷面溫度的平均數(shù)據(jù)；可以實(shí)現(xiàn)在河口區(qū)域及近岸淺海進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)的非入侵式觀測， 分辨率高。在極端天氣情況下，也能實(shí)時(shí)監(jiān)測河口水域的溫度變化。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的電路組成框圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)箱外部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)射換能器和接收換能器安裝示意圖。
[0026] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例的蓄電池示意圖。
[0027] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例的溫度測量結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0029] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有GPS模塊11、計(jì)算機(jī)12、數(shù)據(jù)采集卡13、功率放大器 14、發(fā)射換能器15、濾波器16、前置放大器17、接收換能器18。
[0030] 參照?qǐng)D2和3,本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集卡、功率放大器、濾波器、前置放大器集成在一個(gè) 機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱設(shè)有箱蓋211、前面板212和箱底213,前面板212上設(shè)有接收換能器接口 221、 發(fā)射換能器接口 222、GPS接口 23、前置放大器的多檔選擇開關(guān)24、前置放大器開關(guān)251、功 率放大器開關(guān)252、濾波器開關(guān)26、前置放大器供電接口 271、功率放大器供電接口 272、數(shù) 據(jù)采集卡接口 28、散熱器29。
[0031] 數(shù)據(jù)采集卡13、功率放大器14、濾波器16、前置放大器17固定于機(jī)箱的前面板 212上，和各個(gè)接口相連接；接收換能器18的接頭連接至前面板212上的接收換能器接口 221，接收換能器接收到的模擬信號(hào)由此傳送到前置放大器，前置放大器17的多檔選擇開 關(guān)可以調(diào)節(jié)模擬信號(hào)的放大倍數(shù)；發(fā)射換能器的接頭連接至前面板212上的接收換能器接 口，功率放大器的信號(hào)由此輸送到發(fā)射換能器；數(shù)據(jù)采集卡通過前面板212的數(shù)據(jù)采集卡 接口和電腦連接，處理所要發(fā)射的信號(hào)和所接收到的信號(hào)；GPS所產(chǎn)生的IPPS脈沖信號(hào)通 過GPS接口 23輸送至數(shù)據(jù)采集卡；發(fā)射換能器和接收換能器的供電接口和蓄電池連接。
[0032] 所述機(jī)箱的長、寬、高分別為42cm、34cm、16cm。
[0033] 所述前置放大電路可使用多級(jí)運(yùn)放組合電路，增益倍數(shù)多檔可調(diào)，分別有OdB、 10dB、20dB、30dB、40dB、50dB。
[0034] 參照?qǐng)D4,不銹鋼支架41用兩塊上下鋼板來保護(hù)發(fā)射換能器15和接收換能器18， 上鋼板42可以防止垂直掉落的重物擊壞換能器，上鋼板中間打孔，以便接收換能器18和發(fā) 射換能器15從其中穿過；下鋼板43可以防止水底泥沙覆蓋住換能器。
[0035] 參照?qǐng)D5,為本發(fā)明供電的蓄電池設(shè)有+48V接線端口 51、-48V接線端口 52、+12V 接線端口 53、-12V接線端口 54、GND接線端口 55 ;其中+48V、-48V、GND為功率放大器供電， +12V、-12V、GND為前置放大器供電。
[0036] 本發(fā)明在觀測過程中將發(fā)射換能器和接收換能器置于水下，分別進(jìn)行信號(hào)發(fā)射和 信號(hào)接收；GPS、計(jì)算機(jī)、機(jī)箱和蓄電池放置于岸基或水上平臺(tái)；所發(fā)射的信號(hào)由計(jì)算機(jī)生 成，輸送至機(jī)箱的數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過功率放大器進(jìn)行功率放大，再由發(fā)射換能器的探頭發(fā)射 出去；接收換能器的探頭所接收到的信號(hào)輸送至機(jī)箱，經(jīng)過前置放大器進(jìn)行放大，濾波器進(jìn) 行濾波，然后通過數(shù)據(jù)采集卡輸送至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)；觀測時(shí)需要 兩套儀器在一定的距離上同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的接收和發(fā)射。
[0037] 通過GPS測出兩套儀器在觀測時(shí)的距離L，以及在同一時(shí)刻測得的聲傳播時(shí)間分 別為T +和T -則聲速為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種河口區(qū)域平均水溫測量裝置，其特征在于設(shè)有： GPS模塊，GPS模塊用于對(duì)觀測站點(diǎn)進(jìn)行定位和時(shí)間同步，生成lpps脈沖并觸發(fā)數(shù)據(jù)采 集卡的工作狀態(tài)； 計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用基于LabVIEW編寫的用戶程序生成數(shù)字信號(hào)，發(fā)送至數(shù)據(jù)采集卡，并 處理數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字信號(hào)，激活GPS ; 數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡用于在發(fā)射信號(hào)時(shí)將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，在 GPS生成的lpps信號(hào)到達(dá)時(shí)觸發(fā)工作狀態(tài)，將模擬信號(hào)輸送至功率放大器；在接收信號(hào)時(shí)， 將濾波器輸送來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸送到計(jì)算機(jī)； 功率放大器，功率放大器用于將數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號(hào)進(jìn)行功率放大，并輸送至發(fā)射 換能器； 發(fā)射換能器，發(fā)射換能器用于將功率放大器放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，并發(fā)射 出去； 接收換能器，接收換能器用于將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，并輸送到前置放 大器； 前置放大器，前置放大器用于放大接收換能器輸出的模擬信號(hào)，并輸送至濾波器； 濾波器，濾波器用于對(duì)前置放大器放大后的電信號(hào)進(jìn)行濾波，并輸送至數(shù)據(jù)采集卡； 散熱器，散熱器用于對(duì)功率放大器進(jìn)行散熱； 蓄電池，蓄電池為功率放大器和前置放大器提供直流電源。
2. 如權(quán)利要求1所述一種河口區(qū)域平均水溫測量裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集卡、 功率放大器、前置放大器、濾波器、散熱器集成在一個(gè)機(jī)箱中，機(jī)箱設(shè)有箱蓋、箱底和前面 板；發(fā)射換能器和接收換能器的探頭由不銹鋼支架固定并放置于水中進(jìn)行探測。
3. 如權(quán)利要求1所述一種河口區(qū)域平均水溫測量裝置，其特征在于所述GPS模塊的單 點(diǎn)定位精度為1. 8m，授時(shí)精度為20ns。
4. 如權(quán)利要求1所述一種河口區(qū)域平均水溫測量裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集卡 設(shè)有16個(gè)采樣通道，采樣精度為16bit，采樣率為400kS/s ;所述發(fā)射換能器的中心頻率為 60kHz，帶寬為40~100kHz ;所述接收換能器的中心頻率為60kHz，帶寬為40~100kHz ;所 述濾波器的中心頻率為60kHz，帶寬為40~100kHz。
5. 如權(quán)利要求1或4所述一種河口區(qū)域平均水溫測量裝置，其特征在于所述濾波器采 用有源帶通濾波器。
【專利摘要】一種河口區(qū)域平均水溫測量裝置，涉及水溫測量。設(shè)有GPS模塊、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、功率放大器、發(fā)射換能器、接收換能器、前置放大器、濾波器、散熱器、蓄電池；GPS模塊用于對(duì)觀測站點(diǎn)進(jìn)行定位和時(shí)間同步，生成1pps脈沖并觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡的工作狀態(tài)；計(jì)算機(jī)用基于LabVIEW編寫的用戶程序生成數(shù)字信號(hào)，發(fā)送至數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號(hào)輸送至功率放大器；將濾波器輸送來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸送到計(jì)算機(jī)；功率放大器的輸出端接發(fā)射換能器；發(fā)射換能器用于將功率放大器放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，并發(fā)射出去；接收換能器的輸出端接前置放大器；前置放大器的輸出端接濾波器；濾波器的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡。
【IPC分類】G01K11-24
【公開號(hào)】CN104677519
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510114703
【發(fā)明人】張宇, 郭宜君, 徐曉輝, 趙宗曦, 張賽
【申請(qǐng)人】廈門大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年3月16日