深海原位化学要素数据采集系统设计.pdf

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1、第32卷第3期2013年9月海洋技术0CEANTECHNOLOGYV01．32，No．3Sept，2013深海原位化学要素数据采集系统设计杨磊，王项南，李芝凤，石建军，李超，司惠民，朱锐(国家海洋技术中心，天津300112)摘要：针对深海海底边界层原位监测的特点．设计了适用于深海海底的原位化学要素数据采集系统。该系统由数据采集器以及pH传感器、溶解氧传感器、二氧化碳传感器和甲烷传感器等化学要素监测仪器组成。整个数椐采集系统以ARM9为硬件平台．具有多路模拟量采集、数字量采集、大容量存储、常用通信端口和基本数据处理与分析功能，对于深海海底边界层原位监测具有现实

2、的应用意义。通过实验室模拟深海环境试验和稳定性试验以及实海况海试的验证．证明了设计的可行性。关键词：深海；原位；化学要素；数据采集系统中图分类号：P715．5文献标志码：B文章编号：1003—2029(2013)03一0006—05深海海底边界层是物理、化学和生物过程耦合相互作用最为复杂的区域，是揭示深海成矿过程机理、监控地圈一水圈一生物圈系统的物质循环和质量平衡、探寻深海极端生态系统变化规律、预测地球系统长期变化的关键区域，然而目前人类对深海海底边界层、特别是其在海底成矿、沉积和生物作用过程中特殊贡献的了解却非常有限，许多方面尚处空白。因此，研发深海海底边

3、界层原位监测技术，对于加快提升我国海底资源探测开发的技术创新能力、促进深海科学研究具有极为重要的意义。海底原位监测技术是一种能对海底表面或近海底进行长期、定点、连续、多要素同步测量的水下观测技术，观测使用的科学仪器种类繁多，从功能上主要分为以下几种：海水物理量传感器、海水化学量传感器、生物探测分析仪器、地震海啸探测仪器、海底综合探测平台等⋯i。针对深海海底边界层在成矿、沉积和生物作用过程中的特殊意义，本文设计了一套深海原位化学要素监测系统，系统以ARM9处理器为核心，观测仪器包括pH传感器、溶解氧传感器、二氧化碳传感器和甲烷传感器。系统可对深海几千米深处化学

4、要素的变化进行监测，通过自带的供电系统和半导体存储器件在水下连续自动工作1个月。1系统组成深海原位化学要素数据采集系统由搭载在监测平台上的各化学要素测量传感器、数据采集存储器和供电电源组成。供电电源选用“8v稳压直流电源，可以为数据采集存储器和各监测传感器供电。数据采集存储器通过A／D转换将模拟信号变换为数字量存储；而对于数字信号采用RS232串口直接获取，然后将经过处理的数据存储到存储单元中。系统组成结构如图1所示。图1系统组成结构图本系统的测量参数包括pH、溶解氧、二氧化碳和甲烷，所选用的相应化学监测传感器包括：(1)pH传感器：型号为AMT公司设计生产

5、的深海pH传感器，由一个AgCl参考电极和一个pH敏感玻璃电极组成。最大工作水深6000m，适用于海洋、湖泊、河流等各种环境。电源为+(9～18)VDC，输出信号为(O～+5)VDC。(2)溶解氧传感器：型号为AMT公司设计生产的深海溶解氧传感器，最大工作水深6000nl，适用于海洋、湖泊、河流等各种环境。电源为+(9-18)VDC，输出信号为0一+5VDC。(3)二氧化碳传感器：型号为CONTROS公司设计生产收稿日期：2012—12—01基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目——深海海底边界层原位监测技术(2008AA0922469357

6、)作者简介：杨磊(1983一)，男，助理工程师，硕士，主要研究方向为海洋观测。Email：jacky_youn92006@163．corn第3期杨磊，等：深海原位化学要素数据采集系统设计7的HydroCTM／C02传感器，最大工作水深4000m。电源为+12VDC，与数据采集系统之间采用标准RS232通信。(4)甲烷传感器：型号为CONTROS公司设计生产的HydroCTM／CH4传感器，最大工作水深4000m。电源为+12VDC，与数据采集系统之间采用标准RS232通信。2数据采集存储器设计2．1硬件设计由于系统选用传感器输出信号包括模拟信号和数字信号两种

7、，因此数据采集系统应兼顾选用的传感器，可提供模拟量数据采集通道和两路数字量数据采集通道。数据采集系统的结构如图2所示，系统以模块化方式设计，包括：ARM核心处理部分、电源转换模块、A／D信号转换模块、串口通信模块、精确的外部时钟模块和SD卡存储模块。图2数据采集系统结构图2．1．1ARM核心处理器部分系统控制器选用ARM9的核心微处理器LPC3250，可靠性高、功耗低，可适应长期的无人值守的工作环境。处理器内核工作频率可以达到266MHz，采用5级流水线的哈佛结构，具有强大的浮点计算功能，工作温度可达到一20。500c。片上带有以太网控制器、SDRAM控制器

8、、NANDFlash控制器、LCD控制器、3通道UA