深海传感器的6大类型

本文将介绍了一些用于不同深海应用的重要传感器,包括民用,军事,研究,通信,地震和能源。

  本文将介绍了一些用于不同深海应用的重要传感器,包括民用,军事,研究,通信,地震和能源。

  深海传感器取得的新进展

  深海的奥秘,广阔的蓝色水域延伸到地平线,以及海洋在军事和民用方面的巨大潜力,使人们致力于探索强大的深海世界。

  深海探索给人类一种人类进步的感觉,因为它涉及大量的人力和技术。这也导致学术界和行业研究人员对深海传感器表现出极大的兴趣。随着传感器,微电子学和计算机的最新发展,现代深海研究和开发取得了良好的进展。

  比如,具有低功率,精确且精致的传感器的电子系统可收集重要信息,可以帮助研究人员测量和记录深海环境和潮汐数据。

  再比如,水下无人机和带有智能传感器的便携式潜水机器人,可监测水温,自动罗盘方向和深度,转弯,俯仰和横滚等,可以自由,更快,更轻松地在海洋中移动。

  还有,斯坦福大学开发了一种名为“海洋之人”的机器人,其潜水深度超过了人类。该机器人就具有触摸传感器的类人物体,可以在深海中执行各种任务。它的手腕装有力传感器,可向操作员的控制系统提供触觉反馈。这些反馈信号可以识别动作,例如抓紧坚硬的物体,轻巧的物体。机器人的大脑能读取数据并确保其手牢牢抓住物体。

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  更厉害的一款是Nereus,这是世界上潜水最深的水下航行器。它可以配置为作为远程操作的车辆(ROV)进行操作,也可以独立于人为操作而作为自主的水下航行器(AUV)进行操作。Nereus能够使用声纳和照相机探索和绘制海床。

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  海洋中使用了各种各样的传感器仪器,包括声学多普勒电流剖面仪,底流流量计,底部压力和倾斜仪,电导率-温度深度(CTD),溶解氧传感器,数码相机,高清摄像机水听器,质谱仪,光学衰减传感器,pH和二氧化碳传感器,压力传感器,远程访问液体和DNA采样器,电阻率探头,地震仪,声纳,热敏电阻阵列和湍流电流计等等。

  下面,切入正题,让我们一起探索各种类型的深海传感器。

  深海传感器的6大类型

  1、DO传感器

  用于评估水质和测量液体中溶解氧量的溶解氧(DO)仪是最重要的仪器之一,因为它会影响生活在水中的生物。

  如下图所示,深度达6000米的DO传感器由一个前置放大器组成,该放大器由钛制外壳覆盖。该完整的传感器用于连接CTD探头系统。

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  DO传感器

  2、压力传感器

  通过在海底放置压力传感器来监测水下的地震活动。当置于压力下时,压电(石英晶体)传感器会产生电荷。压力传感器可以测量上方水的压力或重量。沿着断层线的不同部分的高压或低压决定了构造板块被锁定或试图移动的位置。板之间会形成压力,当这些板破裂时会导致地震。

  但是,压力传感器易于漂移,并且随着时间的流逝会失去准确性。为此,华盛顿大学的电子工程师现在正在测试一种低成本的自校准压力传感器,该传感器可以部署在海底以监视长期地震活动。来自深海传感器网络的数据可以帮助科学家了解沿断层线发生的情况。

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  石英晶体压力传感器

  3、pH传感器

  大气中二氧化碳的增加正导致海洋pH值长期下降。使用玻璃电极测量海水中的pH值需要特殊的传感器结构,以避免因海水的高离子强度而导致的错误。

  而pH传感器可以直接浸入海水中,它能够以较高的准确度报告pH值。

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  海洋pH传感器

  4、声纳

  现在,远程水下观察变得更加容易,因为声音导航和测距(声纳)技术已经变得更加先进。

  被动声纳和主动声纳都用于水上船只,飞机和固定装置的现代海战中。潜水艇在很大程度上依赖声纳进行水下通信。下图是适用于多种水下应用的新一代多波束声纳。

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  多束声纳

  5、成像传感器

  深海中的水下摄影测量法不同于陆地或太空摄影测量法。恶劣的条件,高压,缺乏自然光和折射是重点要解决的问题。同时,衰减和散射会降低辐射图像的质量并限制有效的可见度。

  但现在人类已经开发了一种用于AUV的光学系统,以可视化海平面达6000米的大面积区域。

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GEOMAR Remus 6000 AUV的示意图

  6、水下传感器网络

  与浅水通信相比,深海勘探需要一种不同的通信方法。水下应用包括监视,灾难管理,军事,导航和体育。

  水下传感器网络(UWSN)用于水下勘探。它是一个自治的传感器节点网络,这些节点在空间上分布在水下,以收集温度,压力和其他与水有关的数据。

  用于通信的UWSN声波收发器是低频波,但具有适合长距离通信的长波长。UWSN在各种应用程序中可用于灾难监控和预防机制的管理和恢复。具有声传感器网络和水下移动(ROV,AUV)传感器网络的UWSN可以大规模用于深海勘探。

  针对UWSN应用程序的设计基于常见的UWSN架构。一维(1D)UWSN体系结构是指一个传感器节点自动部署并在独立网络上工作的网络。每个传感器节点直接将信息传输到远程站。

  在2D UWSN中,通信以两种方式进行。传感器群集的每个成员与其锚节点通信(通过水平通信链路),然后锚节点与表面浮力节点通信(通过垂直通信链路)。

  在3D UWSN架构中,以群集形式部署的传感器固定在不同的深度和高度。

  4D UWSN体系结构是固定3D UWSN和移动UWSN的组合。水下水下机器人从锚节点收集数据并将其中继到远程站。

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  典型的4D UWSN架构

  结语:

  通过使用传感器,我们可以轻松监测海洋的各种环境条件,包括温度,压力和水流。探索深海,不仅是为了挖掘人类所需的丰富资源,而且还为了人类安全,如需要检测地震和其他相关的自然灾害。

  笔者相信日益发展的现代电子传感器,微电子学,纳米技术,功能强大的计算机和高带宽电缆,可能会在未来几十年中使我们的海洋探索和传感领域得到空前的发展。

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枭枭

集成电路设计行业资深记者,传感器专家网专栏编辑。