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CTD现状与发展

CTD测量技术的现状与发展

张兆英

（国家海洋技术中心,天津　300111）

摘　要:

CTD测量技术是海洋研究开发的关键技术之一。

本文简述了CTD测量技术基本原理,介绍了国内外CTD

技术的现状和动向,同时还探讨了CTD技术的发展趋势和关注的几点看法。

关键词:

CTD测量技术;现状;发展

中图分类号:

P716　　　文献标识码:

C　　　文章编号:

1003-2029（2003）04-0105-06

　　CTD测量技术是研究海洋和应用海洋的最基本的一种技术。

“九五”“863”计划使我国CTD测量技术发生了巨大变化,无论从高精度CTD剖面仪研制上,还是CTD检定设备标准的建立方面,都赶上或达到了国际同类产品的先进水平。

高精度

CTD剖面仪已经列为“十五”“863”标准化的项目,

而CTD检定设备正在为海洋仪器的研制鉴定检定

进行服务。

随着海洋世纪的到来,CTD测量技术越

来越受到世界各国的普遍重视,在国内国际具有很

大的市场。

可以相信,在目前广泛应用的基础上,将

有更加宽阔的发展前景。

1　CTD测量技术

1.1　CTD测量技术简介

K=K（R）

　　对于海水CTD参数的测量,可以归结到一种

物理量的测量。

例如,由传感器测量响应的电阻的

变化来完成。

简而言之,电导率C与一定海水水柱

的电阻有关（C=K）,可以通过流过电导池的海水的

电阻随海洋环境（海水的温度、压力和盐度）的变

化来提取。

温度的变化通过热敏电阻反映海水的温

度T（K=T）。

而深度D一般通过压力测量,根据

数学关系进行计算。

而压力P（K=P）的测量采用

应变式硅阻随深度变化取得。

收稿日期:

2003-02-11

基金项目:

国家高技术研究发展计划（863计划）资助

（2001AA632050）

实际上传感器感应的海水CTD参数,通过转换电

路的输出为电信号。

一般说来传输特性为一高次多

项式。

K=Σn

i=0

aiRi

　　为取得传感器的定标方程,要求严格的试验程

序:

第一,需要足够精度的测试设备;第二,权威的

计量标准;第三,根据传感器与定标设备,设计测量

方案,制定操作步骤,测量取数;第四,进行符合传

感器物理特性的定标方程的拟合。

“九五”“863”高精度CTD剖面仪的定标水槽,

采用直径850mm,深度1300mm,控温精度十万

分之一度（0.000001℃）,水平温场和垂直温场不均

匀度均达到0.0003℃。

利用精度为0.001℃的基准

铂电阻温度计,由F18电桥测温,由水三相点和镓

熔点的温度校准。

使用8400B实验室盐度计来测量

盐度,由国际一级标准海水校验。

利用十万分之五

的活塞度压力计对于压力传感器进行测压。

根据传

感器研制测试经验,设计了定标试验的操作步骤。

取

得高精度CTD剖面仪传感器的定标方程。

下面给

出了高精度CTD剖面仪的传感器定标方程。

1.1.1　电导率传感器定标方程（S/M）[2]

V=

g+hf2+if3+if4

10（1+dt+eP）

式中:

V为电导率（S/m）;f为频率（KHz）;t为温

度（℃）;P为压力（dB）=0;d=3.25×10-6为电

导池玻璃的温度系数;e=-9.57×10-8为与压力

相关的系数;g,h,i,j为回归方程确定的系数。

1.1.2　温度传感器定标方程（℃）[3]

第22卷　第4期

2003年12月　　　　　　　　　　　　海　洋　技　术

OCEANTECHNOLOGY

　　　　　　　　　Vol.22,No.4

Dec.,2003

T90=

1

a+bln

n0

n

+cln

2n0

n

+dln

3n0

n

+eln

4n0

n

-273.15

式中:

T90为温度（℃）;n为温度传感器频率;n0=

1000.00Hz;g,h,I,j为回归方程确定的

系数。

1.13　压力传感器定标方程（MPa）

P=0.006895×C（1-

T20

T2）

[1-D（1-（1-

T20

T2））]

式中:

P为压力（MPa）;T为压力传感器的振荡频

率的周期（μS）;t为压力传感器壳内的温度

（℃）。

并有C=C1+C2t+C3t2;D=D1+D2t;

T0=T1+T2t+T3t2+T4t3;C1,C2,C3,D1,

D2,T1,T2,T3,T4为回归方程确定的系数。

1.2　“九五”“863”成果——高精度CTD剖面仪

SZC-15CTD系统是国家“863”计划支持,研

制成功的自容式海洋剖面测量仪器。

可以测量海洋

表面到3000m水深剖面各层的海水温度、电导率

（盐度）、深度、溶解氧和pH等参数。

空间分辨为4

cm左右（下放速度为1m/s）,时间分辨率43ms。

SZC-15CTD系统可根据用户需要,在规定的深度

控制采水器现场采水,具有高精确度、高速响应和

高稳定性特点。

同时,SZC-15CTD系统使用方便,

能以将整机进行分解或组合应用。

既可以整个系统

多个传感器同时进行测量和采水,也可以由一个或

多个传感器组成的剖面仪单独进行测量。

可用于全

球海洋测量以及国际海洋合作项目,是海洋科学考

察研究、海洋资源调查开发、海洋环境监测预报以

及海洋军事应用的基础仪器。

1.2.1　技术指标

SZC-15CTD系统包括SZC-15CTD剖面仪和

多瓶智能采水器选件。

同时,还可以配置深海测量

的溶解氧以及pH传感器。

可以用于我国海域以及

世界深海远洋的考察与调查。

表1　传感器特性[1]

类别测量范围测量精度分辨率响应时间

温　度-5～35℃±0.001℃±0.0005℃0.07s

电导率0～65mS/cm±0.003mS/cm±0.0005mS/cm0.07s

溶解氧0～15mg/L±0.2mg/L±0.02mg/L2.0s

pH2～14±0.1±0.011.0s

压　力0～leFw0xMDAz30MPa±0.015%F.S.±0.05kPa0.02ms

　　传感器预留接口:

3个;

采水器:

12瓶×2.5L;

采样率:

每秒24次;

存储容量:

8MBFLASH;

用户程序:

全中文界面;

电源:

直流15V,500mA;

重量:

150kg（空气中）190kg（带水瓶）;

尺寸:

1100×1395mm;

储存温度:

-50～+55℃。

1.2.2　CTD测量技术研究

CTD剖面仪研制是CTD测量技术核心。

研制

过程大致分为如下几步:

传感器研制,系统安装,信

号采集,数据处理。

第一传感器研制为关键。

概括分为几个过程:

敏感元件研制、转换电路研制和测试定标设计实施。

首先,制作敏感元件包括生产、测试与开发应

用研究。

设计技术指标,优化结构,选择材料,制

定工艺和测试方法。

由专业厂生产。

经测试后,进

入海洋环境的应用开发。

解决耐压、水密、防腐问

题,解决电气特性与时间常数以及快速响应与封装

材料工艺设计等。

并且完成性能测试如:

温度稳定

性试验,高分辨率精度试验,干扰屏蔽性能测试等。

传感器为封闭式电极式电导率传感器、热敏电阻温

度传感器和石英数字压力传感器[1]。

然后,设计转换电路。

根据传感器的特点,确

定电路形式:

振荡器为频率输出,或者A/D转换为

数码输出。

对于高精度快速响应的一般采用前者。

而

对于低功耗的设计多选择后者。

需要解决的是噪声

　10　6　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　海　洋　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第22卷

干扰和温度漂移问题。

通过运用电路技术如:

设计

反馈网络、试验接地接零,屏蔽外界干扰,建立模

拟或数字化补偿机制等措施,确保传感器输出信号

稳定。

CTD剖面仪转换电路采用了经典的文氏振荡

器内核,辅助以电路稳定技术:

反馈、补偿等[1]。

最后,在完成敏感元件制造与转换电路调试基

础上,进行传感器性能试验以及定标测试。

建立试

验环境、专用测试设备和CTD测试标准。

借助大型

恒温海水水槽,依据传感器的物理特性,制定测试

方法,通过一定的测试流程、观测点选取和数据采

集,建立传感器数据处理的数学和定标方程。

高精

度CTD剖面仪的定标恒温设备和测量标准是具有

世界水平的大型恒温海水槽,水平温场和垂直温场

稳定度为万分之三摄氏度,一等铂电阻温度计通过

F18电桥测温,由8400B实验室盐度计产量电导

率,而运用十万分之五的双火塞压力计进行压力测

试[1]。

第二系统安装。

不仅采用耐压、水密和防腐材

料,而且要考虑加工和特殊性能处理。

对于海洋剖

面仪的工作环境,系统安装对于传感器测量性能关

系密切,布放方法和动态的海洋环境特点,一般应

通过硬件和程序设计,同时,传感器的稳定性与海

水特性（物理的、化学的等）影响以及用户对传感

器的专门维护不可分割。

“九五”“863”研制的高精

度CTD剖面仪设计了专门结构（如海水流经路线）

与维护方案（如电导池清洗流程）[4]。

第三信号采集。

对于传感器信号的采集传输,

关键在于振荡器频率的高分辨率采集。

一般设计专

用逻辑线路,如混合周期计数器来实现。

而传输通

讯,针对海水电导率、温度和压力传感器信号的特

性,设计硬件逻辑语言（HDL）和有结构定义的固

定的数据格式。

高精度CTD剖面仪开发了复杂可

编程逻辑器件采集频率信号,采集精确度达到±

0.05Hz。

制定了通讯命令,对于采集处理后的存储

回放数据进行归档整理,按帧进行（数据状态采水

帧）定义。

实现了FLASH（8MB）存储器,资源分

配合理,传输达到高可靠低误码率的效果[5]。

第四数据处理。

根据传感器定标方程和海洋稳

定特性首先标志奇异数组,根据传感器结构和安装

条件消除盐度尖锋、压力效应和温度效应等。

并且

对于电导池热惯性、温度传感器结构与海水粘滞效

应进行订正[1]。

2　CTD测量技术现状

目前,CTD剖面仪的温度传感器,广泛采用的

是热敏电阻或者铂电阻。

热敏电阻的阻值（R0）较

大,灵敏度高,温度的传输函数为指数线性。

易于

制作,一般为珠状或片状,稳定度达到0.001℃/a,

响应时间60ms。

铂电阻最大特点是温度的传输函

数是线性,铂的性能稳定。

缺点是同样尺寸的铂电

阻阻值（R0）比热敏电阻小。

精度和稳定性两者相

差无几。

目前CTD剖面仪的温度传感器几乎都采

用了热敏电阻。

电导率传感器主要为电极式和感应式,标称精

度均为0.001mS/cm。

两种传感器各有所长,时起

时落循环不息。

一般说来,电极式测量精确度高,抗

干扰能力强。

但是时间常数大,易污染,清洗复杂。

感应式的坚固稳定,响应速度快,易清洗,但是易

受电磁干扰,精度不高。

美国海鸟公司采用电极式

电导率传感器,设计了潜水泵强制水流速度,消除

盐度尖锋,成果显著。

通过温度传感器的时间常数,

调节泵流量,实现数字补偿,有独到之处。

但是,近

来遭到以下海洋微结构研究工作者的质疑,认为潜

水泵的介入,破坏了海水的自然状态。

由于海鸟公

司三电极时间常数较长,意大利的300系列的CTD

剖面仪,运用了无泵的大导流口径的7电极与海鸟

公司来竞争。

压力传感器多半是应变式与硅阻传感器。

近来,

硅阻式压力传感器有取代应变式之势。

精度在

0.1%F.S.左右。

0.01%高精度压力传感器则采用

带有温度补偿的石英压力传感器。

2.1　美国CTD测量技术检定设备,无论在质量上

还是数量上均名列前茅,仪器精度和种类雄霸世界

海洋技术市场。

CTD研制生产单位近百家。

在我国

颇有名气公司如海鸟、FSI、IO、和YSI等近10家

（表2）。

20世纪90年代,加拿大贝德副海洋研究所

（BIO）对MK3和SBE911两种CTD剖面仪进行海

上测试比较,结论是,性能达到WOCE计划的要

求[6]。

2.2　日本流行自容式CTD仪器。

特点是体积小、

重量轻与功耗低。

目标面向海洋调查,注重发展链

式系留传感器测量技术,而且致力于近岸环境检测

与向内河水体物理化学等参数的观测应用。

同时,也

　第4期　　　　　　　　　　　　　　张兆英:

CTD测量技术的现状与发展　　　　　　　　　　　　　　　　　10　7　　

出现了多功能——结合化学和光学参数测量——传

感器综合测量仪器。

设计中广泛采用大容量的闪光

寄存器,最近向高速采样技术发展。

其中ALEC采

用超小型结构设计,令人耳目一新。

表2　美国几个厂家的CTD仪器性能一览表

项　　目SBE911PlusICTD513DMK3C

温　度

电导率

压　力

范　围-5～35℃-2～35℃-5～45℃-5～32℃

精　度±0.001℃±0.001℃±0.02℃±0.002℃

响　应65mS20mS1400mS30mS

范　围0～70mS/cm0～70mS/cm0～65mS/cm0～70mS/cm

精　度±0.003mS/cm±0.002mS/cm±0.02mS/cm±0.002mS/cm

响　应65mS50mS20mS30mS

范　围0～6800M0～6000M0～6000M0～7000M

精　度±0.015%F.S.±0.01%F.S.±0.15%F.S.±0.014%F.S.

响　应35mS30mS10mS

厂　家SeaBirdFSII.O.GO

2.3　欧洲的一些发达国家如英国、意大利和挪威等

一直进行CTD测量技术的研究和开发。

AANDERAA

公司以海流计海洋仪器为主,同时配有CTD传

感器,但是一般为修正声速目的,精度偏低。

同时

也生产一些浅海测量的温度链和温盐链,我国曾大

量应用该公司的海洋仪器。

后来,意大利IDRON

AUT公司开发了300系列CTD仪器,研制出小

型的大口径的7电极电导率传感器,与美国海鸟公

司的三电极的911PlusCTD竞争。

直接挑战海鸟的

带潜水泵的三电极电导率传感器。

该种仪器采用压

力平衡式的设计,研制特殊的七电极电导池,其导

流管的口径、长度与整体结构均与海鸟有显著差别,

声称可以消除潜水泵对于测量引起的危害。

而且转

换电路也一改海鸟振荡器的设计,基本采用A/D转

换。

2002年7月瑞典的海洋科学工作者弗朗西斯等

将意大利IDRONAUT公司OCEANSEVEN

320CTD与美国SEABIRD公司的

SBE911PLUSCTD进行海上测试比较,认为两者性

能相近趋势一致。

[7]

2.4　现在,我国即将跻身世界CTD测量技术前

列。

“九五”“863”研制成功的高精度CTD剖面仪

及其检定设备测量精度与技术指标已经达到或接近

世界同类先进水平。

2002年5月,由中国海洋大学

东方红2号海洋科学调查船实验室对于高精度

CTD剖面仪和美国公司的SBE911PLUSCTD进行

海上同船测试,比测结果是测量数据相近,趋势一

致[8]。

现在,我国的CTD测量技术迅速发展,不仅

有自容式、电缆式和电磁耦合式CTD测量仪,同

时,还研制了或正在研制的有近海、远洋多种类型

的CTD测量仪器。

如:

船体固定式CTD,拖曳式

CTD、抛弃式XCTD、浮标自返式CTD剖面仪等。

在精度与稳定性上已经达到或赶上世界先进水平。

特别需要指出的是,不仅在价格上具有竞争性,更

重要的是,在面向用户服务,根据用户需要及时的

改进,仪器维护修理与测试标定等所有的技术支持

方面以及技术培训等方面,优于其他国外任何厂家。

3　CTD测量技术发展趋势

CTD测量技术已经和正在广泛深入地应用在

海洋科学的宏观研究与微观研究中,并且取得了显

著效果。

通过极区南大洋严寒海水的调查,发现了

海水离开极区流动,形成地转流[9]（geotropiccurrent

）;通过国际海洋合作调查,如全球海洋流量实

验（WOCE）,研究了海气交换与海气耦合作用,发

现了影响人类生产生活的重要气候现象——厄尔尼

诺现象和拉尼那现象;海水的应力（strainand

shear）对于潜艇进攻防御具有重要影响[10],海水的

　10　8　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　海　洋　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第22卷

温度蒸发与盐度扩散具有因果关系和不同的规律

——盐手（saltfinger）现象[11]。

在进入海洋世纪的

今天,动力海洋、海洋生态、海洋资源的调查开发

以及近海海洋的整合治理等,CTD测量技术具有广

阔的应用前景。

然而,下列技术更值得注意。

3.1　小型低耗多功能的CTD仪器市场非常看好

小型低耗CTD仪器适用于海洋监测,布放的

CTD使用周期从1个月、3个月、1a甚至达到2a。

用于ARGO计划的自容CTD剖面仪,一般工作在

1a以上,国际上已经有工作2a以上的报道。

ARGO

计划的目标要求达到5a。

国内正在进行低功耗

CTD测量技术研究。

目前,市场上的小型CTD仪器大小与手电筒

可比拟,重量仅几十克。

采用5号或更小的电池供

电,工作可达到几百天。

在开展海洋污染监测中,大

量采用该种先进的CTD测量技术。

因此,体积大耗

电高而又笨重大型仪器将缺乏竞争力。

所谓多功能CTD仪器不仅与化学传感器如

pH溶解氧,还有水文、生物和光学传感器。

其中将

CTD与海流计共同配置日益多见。

如与S4电磁海

流计一起进行系留测量。

上个世纪末,国外已经使

用投放式声学多卜勒海流计LADCP——Lowered

ADCP[13][14][15]。

然而,国内正在开展LADCP与

CTD剖面仪安装在一起的深海CTDC研究。

“十

五”“863”一期任务中,我中心承担了6000m电缆

传输式CTDC剖面仪课题,在二期任务中,又联合

其他单位承担了以CTDC研究为主的“水下流浪潮

综合测量技术”课题。

3.2　CTD高速采集测量技术日益重要

高速采集测量技术适用于海洋环境中特殊平台

的要求。

要求研究短周期海洋剖面的变化规律,如

潜艇的攻击、逃逸或悬停等。

影响武器发射轨道的

海洋剖面变化的有效时间很短,因此需要时间分辨

率与空间分辨率均很高。

例如为了海水应力研究,模

拟水下导弹发射现场状态试验,对于一个500m浅

海测量剖面的测量频率达到500次/d[25]。

不仅高频

测量,主要的还满足高速采集测量。

首先信号采集

存储问题,同时海洋测量技术以及与数据处理的有

关的海洋学力学材料理论以及数学处理软件,值得

一提的是要求具有理论经验的海洋测量的专用人

才。

采集速率达到256次,现在一般30次左右。

3.3　CTD高频响应测量技术要求迫切

传统的CTD测量已经无法满足世界海洋事业

发展的需要。

海洋变化的时间空间的同步或准同步

测量日益迫切。

解决的方法之一是提高CTD平台

载体的速度。

如拖曳式CTD剖面仪,拖体航行的速

度达到3～6m/s[12],抛弃式XCTD下降速度约为

6m/s,固定在船体平台的速度更快,一般在10m/s

以上。

目前,一般CTD剖面仪的运行速度为0.5～

1.0m/s。

几十年来,经过研究,解决了与CTD剖

面仪的运行速度想匹配的传感器的时间常数问题,

温度电导率时间常数达到60ms左右。

我国拖曳式CTD超过4m/s。

XCTD下降速度

6m/s。

对于船体固定式CTD运行速度远大于10

m/s。

众所周知,“九五”“863”的高精度CTD剖面

仪下放速度2kn约0.5～1m/s左右。

温度电导率

时间常数达到70ms左右。

市场上出售的拖曳式

CTD,几乎全部为仪器经销商组装的,简单的将采

购的CTD剖面仪与用户指定的拖体拼凑为一个一

个整体,传感器的响应时间与传统CTD完全一样。

不仅如此,XCTD或船体固定式CTD盖莫能外,传

感器响应时间与传统CTD完全一样,只是平台速

度提高而已。

在高速测量平台下传感器的响应速度

并没有加快。

因而迫切要求研究CTD高频响应测

量技术,解决提高传感器的响应速度的问题。

随着

传感器时间常数减小,对于材料结构,特别是制造

工艺设计、测试环境和测试设备以及数据处理将提

出更高要求。

4　结论

首先,以“九五”“863”成果高精度CTD剖面

仪为基础,进行标准化产品定型,尽快占据市场。

同

时,开发系列化CTD产品,满足海洋事业日益增长

的需要。

最后,完成建立研发推销技术支撑体系,实

现为我国海洋开发服务目标,并且努力面向世界发

展。

　第4期　　　　　　　　　　　　　　张兆英:

CTD测量技术的现状与发展　　　　　　　　　　　　　　　　　10　9　　

参考文献:

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