基于电阻率测量的海床蚀积过程原位监测技术研究

论文摘要

本论文基于国家863项目“风暴过程中海底沉积物再悬浮通量原位监测技术”编号2008AA09Z109)开展研究，研制了一套基于电阻率测量的海床侵蚀淤积过程现场动态原位监测系统，该系统能够实施海水-沉积物界面位置的原位监测。本文研究内容主要包括以下两个方面：1系统设计：①设计电阻率蚀积监测系统整体结构；②完成该系统三个部分的设计：机械探杆、主控部分及分析处理软件部分，通过实验选择探杆的直径、材料和极距，确定环形电极电阻率计算方法，完成探杆设计，对主控部分划分模块完成硬件和软件设计，对分析处理软件划分模块完成设计；③对系统进行误差和精度分析；④系统参数实验测试与调整；⑤进行系统机械组合总装，完成整个系统的设计；2系统实验验证：①室内对比实验：和现有的商业化仪器测试数据进行对比分析，验证系统测试数据正确性；②室内实验验证系统的有效性；③进行现场原位实验，进一步对系统进行原位测试的有效性验证。本论文采用的研究方法：在整个系统的设计中，采用了自上而下、分模块的设计方式，保证了系统具有很好的整体性；在系统调试和实验验证过程中，设计了多种实验，采用分步骤进行验证的方式，确保系统验证过程有序进行和经过验证系统的测试稳定性。本文主要结论概括如下：1．系统设计：①探杆：通过实验对比分析，选择探杆电极布设方法为环形布设、探杆直径7cm和电极间距1cm；②主控部分：采样频率64次／s，采样间隔初步确定为8s，经误差分析可以达到静态0．012Ω·m电阻率精度。③上位机数据处理软件：开发完成了仪器参数设置、数据处理和曲线拟合三个模块，采用的VC++6．0完成界面部分和计算部分，matcom 4．5完成曲线绘制及曲线拟合。2．系统实验验证：①室内对比实验：与商业化E60BN高密度电法仪和电导率仪数据对比，验证了本系统测试土体和海水电阻率数据的有效性；②室内界面测试实验：经实验确定自制系统界面测定误差在0．80cm以内，提出了中间值-直线界面分析方法，对得到的数据进行了分析，获得的界面位置和实际观察到的结果具有很好的一致性，在多次反复实验中验证了系统电阻率数据测试的有效性、测试界面的正确性，和系统的工作稳定性；③现场测试实验：实验结果表明，在海洋水动力条件较为平静时，测试结果很好的反映海水-沉积物界面；当水动力作用较强时，目前仪器所用电极的极化效应对测试结果影响较大，将在下一步研究中通过改变电极材料来完善。本论文创新点主要包括以下三个方面：1多电极自动切换自动记录，基于电阻率测量的海床蚀积监测系统设计；2分级电极开关转换结构和相应的主控软件，极大的减小了多电极电路的硬件开销，缩小了整个系统的体积；3提出了海水-沉积物界面的中间值-直线分析方法，并在多次实验中验证了其分析数据的有效性。本论文设计的系统有待进一步工作改进系统设计，主要包括：系统的软硬件功能的进一步完善、系统电极探杆的材料改进，及系统整体结构的进一步调整。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 海床蚀积过程原位监测技术国内外研究现状
• 1.2.1 非连续测试方法
• 1.2.1.1 测试沉积量或悬沙量的称重方法
• 1.2.1.2 测量沉积物-海水界面高程变化的方法
• 1.2.1.3 非连续监测方法特点
• 1.2.2 半连续-连续测试方法
• 1.2.2.1 测量悬沙量或者沉积量的方法
• 1.2.2.2 测量沉积物-海水界面高程变化的方法
• 1.2.2.3 半连续-连续监测方法特点
• 1.2.3 非连续和半连续-连续方法比较分析
• 1.3 论文研究目标
• 1.4 本论文的研究内容,研究方法及技术路线
• 1.4.1 本论文研究内容
• 1.4.2 本论文中采用的研究方法
• 1.5 本论文取得的成果与创新
• 1.5.1 本论文取得的成果
• 1.5.2 本文创新点
• 1.6 本论文结构
• 1.7 本章小结
• 2 监测系统总体设计
• 2.1 监测系统工作原理
• 2.1.1 电阻率方法简介
• 2.1.2 海床蚀积电阻率监测方法原理
• 2.2 相关电阻率测试方法介绍
• 2.2.1 海床电阻率探测装置研究介绍
• 2.2.2 电法仪器研究介绍
• 2.3 海床蚀积电阻率监测系统总体结构设计
• 2.3.1 海床蚀积监测的电阻率监测系统的特点
• 2.3.2 监测系统的组成
• 2.4 监测系统各部分结构设计
• 2.4.1 机械探杆设计
• 2.4.2 主控部分设计
• 2.4.3 PC机处理软件设计
• 2.5 监测系统功能设计
• 2.6 监测系统有效性评估方法
• 2.7 本章小结
• 3 监测系统主控部分硬件设计
• 3.1 监测系统主控部分总体设计和模块划分
• 3.2 中央处理单元设计
• 3.2.1 单片机的选用及最小系统
• 3.2.2 ISP编程方式实现
• 3.3 数据采集模块设计
• 3.3.1 ADC器件选择
• 3.3.2 抗混叠滤波电路
• 3.3.3 信号放大单元
• 3.3.4 基准器件选择
• 3.3.5 数据采集模块结构框图
• 3.4 海量存储模块设计
• 3.5 电极自动转换模块设计
• 3.5.1 电极自动转换电路
• 3.5.2 端口扩展及转换开关驱动电路
• 3.5.3 供电电路（电流源）
• 3.6 实时时钟模块设计
• 3.7 电源模块设计
• 3.8 本章小结
• 4 监测系统主控部分软件设计
• 4.1 软件语言及开发环境
• 4.1.1 编程软件
• 4.1.2 程序下载软件
• 4.1.3 数据接收软件
• 4.1.4 数据初步处理软件
• 4.2 软件总流程
• 4.3 数据采集模块软件设计
• 4.4 存储模块软件设计
• 4.5 时钟模块软件设计
• 4.6 电子自动补偿
• 4.7 主控部分的调试
• 4.8 本章小结
• 5 监测系统电极探杆设计
• 5.1 探杆外形设计
• 5.2 环形电极视电阻率计算方法
• 5.2.1 WON视电阻率计算公式
• 5.2.2 Fukue视电阻率计算方法
• 5.2.3 实验方法确定视电阻率
• 5.3 参数选择
• 5.3.1 电极材料选择
• 5.3.2 密封材料选择
• 5.3.3 探杆直径及电极极距选择
• 5.4 本章小结
• 6 监测系统上位机软件设计
• 6.1 模块划分
• 6.2 软件开发语言及环境
• 6.2.1 VC++6.0简介
• 6.2.2 Matlab简介
• 6.2.3 VC++6.0与Matlab混合编程
• 6.3 软件系统的具体实现
• 6.3.1 软件主界面
• 6.3.2 参数设置模块
• 6.3.3 数据处理
• 6.3.4 曲线拟合
• 6.4 本章小结
• 7 监测系统误差分析
• 7.1 ADC误差及其校正方法
• 7.1.1 ADC静态误差及校正方法
• 7.1.2 ADC动态误差及校正方法
• 7.1.3 ADC总误差
• 7.2 电压基准误差及去除
• 7.3 放大器的误差及去除
• 7.4 监测系统总误差
• 7.5 静态测试验证监测系统测试误差
• 7.6 本章小结
• 8 监测系统总装及系统参数确定
• 8.1 电极探杆装配
• 8.2 主控部分装配
• 8.3 整机装配
• 8.4 监测系统参数确定
• 8.4.1 实验准备工作
• 8.4.2 仪器采样次数确定
• 8.4.3 去极化测定
• 8.5 本章小结
• 9 监测系统室内应用效果评价
• 9.1 室内比较实验
• 9.1.1 实验准备工作
• 9.1.2 仪器说明
• 9.1.3 测试实验及数据分析
• 9.1.4 测试数据对比及分析
• 9.2 室内沙土-海水界面位置测试实验
• 9.2.1 实验准备工作
• 9.2.2 测试实验
• 9.2.3 分析方法设计
• 9.2.4 实验数据及分析
• 9.2.5 界面位置分析方法总结
• 9.3 室内沉积过程监测实验
• 9.3.1 实验准备工作
• 9.3.2 测试实验
• 9.3.3 实验数据、分析及对比
• 9.4 本章小结
• 10 监测系统现场应用效果评价
• 10.1 第一次现场观测实验
• 10.1.1 实验准备工作
• 10.1.2 实验过程
• 10.1.3 实验数据及分析
• 10.2 第二次现场观测实验
• 10.2.1 实验准备工作
• 10.2.2 实验过程
• 10.2.3 实验数据及分析
• 10.3 本章小结
• 11 结论、创新点及进一步研究
• 11.1 结论
• 11.2 本文创新点
• 11.3 下一步的研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文
• 研究成果
• 研究生期间参与的研究项目