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中級(jí)會(huì)員 | 第6年

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傳感器
測(cè)試系統(tǒng)
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壓力式浪高儀的工作原理簡(jiǎn)單介紹

時(shí)間:2025/6/26閱讀:94
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基礎(chǔ)物理原理:

    • P: 靜水壓力(單位:Pa 或 mbar)

    • ρ: 海水密度(單位:kg/m3)

    • g: 重力加速度(約 9.8 m/s2)

    • h: 該點(diǎn)上方水體的深度(單位:米)

    • 在靜止水體中,某一點(diǎn)所承受的水壓與該點(diǎn)上方水柱的重量成正比。公式表示為:P = ρ * g * h。

    • 這個(gè)壓力是靜水壓力。

  1. 波浪環(huán)境下的壓力變化:

    • 當(dāng)波峰經(jīng)過(guò)傳感器上方時(shí),該點(diǎn)上方的水深h增加,導(dǎo)致傳感器測(cè)得的壓力P增大。

    • 當(dāng)波谷經(jīng)過(guò)傳感器上方時(shí),該點(diǎn)上方的水深h減小,導(dǎo)致傳感器測(cè)得的壓力P減小

    • 當(dāng)存在波浪時(shí),水面不再是靜止的,而是在平均水面位置上下波動(dòng)。

    • 波浪本質(zhì)上是波動(dòng)能量在水體中的傳播,它會(huì)引起水體質(zhì)點(diǎn)做軌道運(yùn)動(dòng)。

    • 在水下某固定點(diǎn)(安裝了壓力傳感器):

    • 因此,壓力傳感器記錄到的壓力值會(huì)隨著波浪的起伏而周期性波動(dòng)

  2. 從壓力波動(dòng)到浪高:

    • η(t): t時(shí)刻的浪高(相對(duì)于平均水面,單位:米)

    • P(t): t時(shí)刻傳感器測(cè)得的壓力(單位:Pa)

    • P?: 平均水面下傳感器位置處的靜水壓力(即沒(méi)有波浪時(shí)的壓力,P? ≈ ρ * g * d

    • ρ: 海水密度(需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或估算)

    • g: 重力加速度

    • K_p: 壓力響應(yīng)因子(或壓力衰減因子),0 < K_p ≤ 1。這是壓力式浪高儀最關(guān)鍵的校正參數(shù)。

    • K_p = cosh(k * d) / cosh(k * (d + z)) (對(duì)于線性波,z是傳感器在水底以上的高度,通常z≈d)

    • k = 2π / L: 波數(shù),L是波長(zhǎng)。

    • 從公式可見(jiàn),K_p取決于傳感器安裝深度(d) 和波浪的波長(zhǎng)(L) 或周期(T)(因?yàn)?nbsp;L = gT2 / (2π) 在深水近似成立)。d越大或L越?。úǘ福?/span>K_p越?。▔毫λp越厲害),需要更大的校正才能得到真實(shí)浪高。

    • 靜壓關(guān)系: 利用 P = ρ * g * h 的基本關(guān)系。

    • 平均水深 (d): 傳感器安裝位置相對(duì)于平均水面的深度。

    • 波浪動(dòng)力學(xué)影響: 波浪不是簡(jiǎn)單的靜水現(xiàn)象。波浪引起的壓力波動(dòng)不僅包含靜壓分量,還包含動(dòng)壓分量,且壓力波動(dòng)隨水深衰減(波長(zhǎng)越短、水深越深,衰減越顯著)。因此,傳感器記錄的壓力波動(dòng)幅度ΔP小于實(shí)際水面波動(dòng)幅度Δη(浪高)。

    • 壓力式浪高儀的核心任務(wù)就是將測(cè)量到的壓力波動(dòng)時(shí)間序列 (P(t)) 轉(zhuǎn)換為水面波動(dòng)(浪高)時(shí)間序列 (η(t))

    • 轉(zhuǎn)換過(guò)程需要考慮:

    • 關(guān)鍵公式(線性波浪理論簡(jiǎn)化):
      η(t) = (P(t) - P?) / (ρ * g * K_p)

主要組成部分

  1. 壓力傳感器:

    • 核心部件,通常為高精度、高頻響應(yīng)的壓阻式或壓電式傳感器。

    • 要求具有良好的穩(wěn)定性、低漂移、耐腐蝕(海洋環(huán)境)、抗生物附著能力。

    • 測(cè)量范圍需覆蓋預(yù)期最大浪高對(duì)應(yīng)的壓力變化范圍。

    • 采樣頻率需足夠高(通?!?2 Hz,研究級(jí)可達(dá) 10-20 Hz 或更高)以準(zhǔn)確捕捉波浪細(xì)節(jié)。

  2. 信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集單元:

    • 將傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波(消除噪聲)、數(shù)字化

    • 包含高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

  3. 數(shù)據(jù)處理單元(微處理器/控制器):

    • 傳感器安裝深度 (d)

    • 海水密度 (ρ) (有時(shí)使用固定值,或通過(guò)鹽度溫度傳感器估算)

    • 壓力響應(yīng)因子 (K_p): 這是難點(diǎn)!通常需要:

    • 已知波浪周期(T): 通過(guò)頻譜分析從壓力數(shù)據(jù)本身估算主導(dǎo)波周期。

    • 波浪理論模型: 使用線性或非線性波浪理論公式計(jì)算K_p。

    • 核心功能是執(zhí)行從壓力到浪高的轉(zhuǎn)換計(jì)算。

    • 需要輸入或?qū)崟r(shí)計(jì)算關(guān)鍵參數(shù):

    • 進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算或存儲(chǔ)原始?jí)毫?shù)據(jù)供后續(xù)處理。

  4. 數(shù)據(jù)傳輸/存儲(chǔ)模塊:

    • 存儲(chǔ): 內(nèi)置存儲(chǔ)器(如SD卡)用于記錄數(shù)據(jù)。

    • 傳輸: 可能包含有線(RS232/485, Ethernet)或無(wú)線(蜂窩網(wǎng)絡(luò)4G/5G,衛(wèi)星,RF)模塊,用于遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。

  5. 電源:

    • 通常為內(nèi)置電池(可充電或一次性),或通過(guò)水下電纜供電。

    • 低功耗設(shè)計(jì)對(duì)長(zhǎng)期部署至關(guān)重要。

  6. 耐壓殼體與安裝結(jié)構(gòu):

    • 保護(hù)內(nèi)部電子元件免受高壓海水侵蝕。

    • 提供穩(wěn)定的安裝基座(固定于海底、碼頭樁柱、浮標(biāo)錨鏈等)。

關(guān)鍵特點(diǎn)

  • 水下安裝: 傳感器部署在水下,不易受水面漂浮物、船只碰撞、惡劣海面天氣的直接破壞,隱蔽性好。

  • 長(zhǎng)期穩(wěn)定性: 相對(duì)于浮標(biāo)式或超聲波式浪高儀,受生物附著(需防護(hù))和機(jī)械磨損影響可能更小,適合長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)。

  • 可測(cè)參數(shù)豐富: 除了浪高(η)和波周期(T),通過(guò)頻譜分析還可得到波譜、有效波高(H1/3)、平均波高、最大波高、波向(需多點(diǎn)布置) 等。

  • 成本相對(duì)適中: 對(duì)于固定點(diǎn)觀測(cè),成本通常低于大型浮標(biāo)系統(tǒng)。

  • 對(duì)安裝深度敏感: 安裝深度d的測(cè)量誤差會(huì)直接影響浪高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

  • 需要波浪理論校正: K_p 的計(jì)算依賴于波浪理論模型和對(duì)波浪周期/波長(zhǎng)的估計(jì),這會(huì)在一定程度上引入誤差,尤其在淺水、非線性波浪或復(fù)雜海況下。

主要應(yīng)用場(chǎng)景

  1. 海洋工程:

    • 港口、碼頭、防波堤等水工建筑物周圍的波浪監(jiān)測(cè),評(píng)估結(jié)構(gòu)物安全性和設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

    • 海上石油平臺(tái)、風(fēng)電基礎(chǔ)周圍的波浪荷載監(jiān)測(cè)。

    • 海岸侵蝕研究。

  2. 海洋氣象與災(zāi)害預(yù)警:

    • 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮引起的巨浪,為預(yù)警提供數(shù)據(jù)。

    • 海浪預(yù)報(bào)模式的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)源。

  3. 航海安全保障:

    • 航道、錨地、港口的波浪監(jiān)測(cè),為船舶航行、靠泊提供環(huán)境信息。

  4. 海洋科學(xué)研究:

    • 波浪能量譜研究。

    • 波浪與海流、地形相互作用研究。

    • 氣候變化對(duì)海浪特征影響研究。

  5. 水產(chǎn)養(yǎng)殖:

    • 監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖區(qū)波浪狀況,保障養(yǎng)殖設(shè)施安全。



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