新型的基于傾角法海流測量?jì)x的研究與開(kāi)發(fā)

摘要：為了在海流測量中更好地使用海流計獲取真實(shí)的流速和流向信息，設計了一種新型的基于傾角法的海流測量?jì)x。該測量?jì)x采用Atmel公司開(kāi)發(fā)的低功耗、高性能的CMOS型AT89S52單片機，通過(guò)串行口與上位機通信，利用VC++6．0友好的設計界面以及Matlab的繪圖功能，實(shí)現對原始采集數據大容量存儲、回放處理功能。海流測量?jì)x操作簡(jiǎn)單，運行穩定，有較好的應用前景。
關(guān)鍵詞：海洋調查；海流計；傾角法；VC++；Matlab

0 引言
21世紀是海洋的世紀，開(kāi)發(fā)利用海洋資源是解決陸地資源逐漸匱乏的重要途徑，各國政治、經(jīng)濟、科技也都離不開(kāi)海洋。為了合理利用開(kāi)發(fā)海洋資源，努力實(shí)現海洋資源的可持續利用，需要使用儀器設備對海洋進(jìn)行調查、研究。其中，海流作為海洋水文三要素(海浪、海流、潮汐)之一，是海洋調查中不可或缺的參數，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)規律，可以更好地為國防、海運、漁業(yè)、港建等服務(wù)。
目前，海流的測量包括流速和流向兩個(gè)參數，海流的測量方法根據所采用的方式和手段分為兩類(lèi)：漂流浮標測流法以及定點(diǎn)觀(guān)測法。其中海流計是最常用的測流儀器。海流計從原理上又可分為機械旋槳式海流計、電磁流速計、聲學(xué)多普勒海流計以及剖面海流儀等。國外海流計的研究起步較早，技術(shù)較成熟，1905年瑞典首先設計制造了厄克曼海流計；挪威生產(chǎn)的安德拉海流計，是目前全世界使用最廣泛的海流計，最大使用深度為6000m；另外，美國生產(chǎn)的S4型電磁海流計，流速準確度高達±1cm／s，流向準確度為±2°。國內海流計的研究起步相對較晚，20世紀50—70年代主要以機械海流計為主，90年代國家海洋局海洋技術(shù)研究所研制的SLLY4—1型深水流速計，最大工作水深4000m。
與國外產(chǎn)品相比，國內海流計價(jià)格相對低廉，但是穩定性、測量精度等方面不及國外，因此市場(chǎng)占有率較低。本文介紹的基于傾角法的海流測量?jì)x可測流速為0～300 cm／s，準確度為(0．02±1)cm／s，流向為0～360°，準確度為±2°。它采用低功耗、高性能的CMOS型AT89 S52單片機，通過(guò)串行口與上位機通信，利用VC++6．0友好的設計界面以及Matlab的繪圖功能，對原始采集數據進(jìn)行存儲、回放。該測量?jì)x操作相對簡(jiǎn)單，運行穩定，應用前景較為廣闊。

1 測量?jì)x原理及設計
海流是海水大規模并且相對穩定的流動(dòng)，是海水比較重要的普遍運動(dòng)形式之一。海流的觀(guān)測包括流向和流速兩個(gè)參數。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(°)；規定正北為0，順時(shí)針進(jìn)行旋轉。
1．1 工作原理
本文設計的海流測量?jì)x，是一種新型的基于傾角法的測流技術(shù)。外殼采用封閉式防水鋼結構，主要包括圓柱型儀器倉、導流雙翼、方型框架、重錘4部分。傾角法海流測量?jì)x的外部結構圖如圖1所示。

理想狀態(tài)下，如果海水有運動(dòng)，在導流雙翼的作用下，內含傳感器的圓柱型儀器倉繞著(zhù)x軸旋轉；固定儀器倉的方型框架則會(huì )繞著(zhù)x軸轉動(dòng)；倘若流速是固定值，那么圓柱型儀器倉的傾斜方向最終會(huì )與流向保持一致；與此同時(shí)，由于受到海流的影響，在導流雙翼作用下，圓柱型儀器倉會(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，表達式如式(1)所示：

式中：V為通過(guò)海流測量?jì)x的流速；θt為傾斜角；θ0為無(wú)流時(shí)的傾斜角；θD為舉、拉中心和測量?jì)x軸之間的夾角；θf為翼弦線(xiàn)和測量?jì)x軸之間的夾角；τ90為無(wú)流時(shí)使測量?jì)x傾斜90°所需要的扭矩；A為測量?jì)x的區域(投影到平行測量?jì)x軸的平面上)；LD為從轉軸到拉力作用中心的距離；CD為拉力系數；CL為升力系數；ρ為海水密度。在實(shí)際應用中，不但海流會(huì )對測量?jì)x產(chǎn)生作用力，還會(huì )有多種因素參與其中，因此設計測量?jì)x的結構時(shí)，應充分考慮各個(gè)因素的影響，力求將影響減至最低。