刘星;周树道;龙运华
【摘 要】温、深、流是陆地水文最基本的3个要素.传感器是获取水文信息的关键器件,然而我国水文传感器发展相对滞后.为促进水文传感器国产化,本文着重选取温、深、流3类陆地水文传感器为代表,详细比较了现有传感器的优缺点及适用范围,重点分析了温、深、流3类传感器的发展趋势.
【期刊名称】马鞍山杀人案《气象水文海洋仪器》
【年(卷),期】2013(030)001
【总页数】5页(P124-128)
【关键词】水文传感器;趋势;分辨率;网络智能
【作 者】刘星;周树道;龙运华
【作者单位】解放军理工大学气象海洋学院,南京211101;解放军理工大学气象海洋学院,南京211101;95718部队,砚山663101
【正文语种】中 文
【中图分类】TB937
天然气利用政策
0 引言
莲必治
水文是水在地球表面、大气层中和地壳内部各种变化和运动的现象，可分为陆地水文和海洋水文。陆地水文指江河、湖泊、水库、沼泽和地下水等，其要素主要包括降水、水位、水温、水流流速、水深和结冰等［1］。陆地水文信息的获取，是水力发电、农田灌溉、防洪排涝、整治河道、发展航运以及国防建设等不可或缺的环节。水文传感器作为水文信息采集的关键器件［2］，对水文信息获取有着非常重要的意义。近年来，国家加大了对水文传感器的研究开发，但发展相对落后，总体性能与国外产品还有较大差距，很多产品还不能投入实际使用。温、深、流是陆地水文3个基本要素，也是最有代表性的3个要素。本文从温、深和流传感器出发，在详细比较现有常用传感器优缺点的基
础上，重点探讨各类传感器发展趋势，并对水文传感器与水文信息获取系统的未来发展提出了几点建议。
1 温、深、流速传感器现状
1.1 温度传感器
水温是表征水体冷热程度的物理量，是水文信息采集的基本要素之一，而且影响其他要素测量的准确性。 水文上对水温测量要求并不高，分辨力达到0.1℃，准确度达到0.2℃就能满足一般水文测量要求［3］。温度传感器种类繁多，具体分类见表1。
表1 温度传感器分类分类 传感器 特点膨胀式玻璃液体、压力式、双金属等结构简单，价格低廉，使用方便，可直接读数，不需供电，但准确度低，不易实现自动化，易损坏。接触式热电偶 结构简单，响应快，宜自动测量。电量式热电阻 准确度高，稳定性好，动态响应差。半导体热敏电阻灵敏度高，价格便宜，但线性度差，稳定性与互换性差。石英传感器 稳定性好，精度与分辨力高，稳定性好光纤测温 种类多样，发展迅速。非非接触式辐射式
热测温 使用简单但影响因素很多，需人工判读。比式 结果准确，结构复杂，价格昂贵。红外 可显示二维温度场，分辨力高。其他 超声波测温、光谱吸收、CARS测温等
水文上应用较多的测温器件是半导体热敏电阻，在要求较高时使用铂电阻等金属电阻，下面简要介绍铂电阻测温原理。
根据Callender－Van Dusen公式［4］，铂电阻的电阻值与温度的关系函数为下式：
八音盒珍品陈列馆式中：A，B，C为常数；Rt，R0为温度分别为t和0℃时的铂电阻阻值。通过测量电阻值就可根据式（1）得到温度值。
1.2 测深传感器
水深，是水面至水底的垂直距离。传统方法是人工看水尺（或测深杆），简单、快速、直观，但不适用于仪器自动化要求。目前主要水深测量方法见表2。
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表2 目前主要水深测量方法人工检尺法液体压力差 吹气法、压差法、HTG法浮力原理 浮子法、浮筒法、浮球法、沉筒法元件电参数变化 电容法、电阻法、电感法信号传播时间
磁致伸缩法、超声波法、微波法其他 振动法、核辐射法、测量原理 方法人工测量 垂钓法、双水位法、光纤传感器法
此外，还可以通过卫星遥感资料反演水深［5］，但由于精度较低，探测水深较浅，只能作为辅助参考。下面主要介绍4种常用水深测量方法：
（1）测深杆：一般固定装置在测站，需要人工定期记录数据，用于测量较浅的水深，测量范围视竿的长度而定，一般在5m以内。
（2）垂钓法：目前水文缆道或水文测船上多用垂钓法，通过铅鱼悬索测深。此法适用于河床浅而稳定且水流流速较小的区域，很难在大流速、水深或河床不稳定的环境内使用。
（3）压力测深：根据压力与水深成正比关系的静水压力原理实现水深测量。特点是量程宽，安装简单，操作简便，成本低，精度较高，结冰期也可正常工作，比较适用于动态测量。但有时间、温度漂移，测量精度受泥沙影响，且用于小量程测量时，其绝对误差大。
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（4）超声波测深：声波在介质中以一定速度传播，当遇到不同密度的介质分界面时，声波立即发生反射，根据发射与接收的时间差算出深度。特点是安装简单，响应速度快，测量
精度高，但存在测量盲区，使用时需对声速进行校正。
1.3 水流流速传感器
水流流速是指单位时间内水体的流动距离。近年来，随着电子技术与传感器技术的迅猛发展，新型的测流速设备越来越多，根据测流原理可分为转子式流速仪、声学多普勒流速仪、电波流速仪、电磁流速仪、激光流速仪和粒子图像测速系统等。我国对流速仪研究起步较晚，且功能相对单一，目前相对成熟的产品只有转子式流速仪。常用流速仪的主要技术指标见表3。
表3 3种流速仪主要技术指标仪器名称 流速 其他LS10型旋浆式流速仪范围：0.05～7m／s起动流速：0.05m／s水温环境：0～40℃含沙量≤20kg／m3流向：范围：0～360°准确度：±2°分辨力：0.01°电波流速仪Stalker II SVR ADCP范围：0～5m／s准确度：±1%±5mm／s分辨力：1mm／s范围：0.20～18.00m／s准确度：±5mm／s最大测程：100m微波功率：50mW
（1）转子式流速仪
目前在流速测量方面以转子式流速仪为主，包括旋浆式和旋杯式两种，其中旋浆式流速仪是国际标准认可的最为常用的测量仪器之一。该类传感器的转子（旋浆或旋杯）在流体的推动下产生驱动力矩而旋转，传感器内部有脉冲产生与检测装置。通过测量转子旋转1周的时间，或者测量输出脉冲的频率，根据式（2）算出水流速度［6］：
式中：v为水流速度；K为传感器比例常数；T为传感器旋转周期；c为传感器最小感应流速。
