浮标研制1

多功能波浪浮标的研制

1概述

在进行波浪自动测量时波浪的传播方向是一个重要和难以测量的参数。八十年代后期国家海洋局曾投资支持研制波向测量浮标但是未见该仪器推广应用。在国外具有波向测量功能的浮标可分为两大类：表面测量浮标和水下测量浮标。前者有美国的1156型波浪跟踪浮标、荷兰的方向浮标等，它们是遥测型波浪浮标，可获得实时测量信息。美国的弘电磁海流和波浪方向浮标是目前最具代表性的一种水下多功能测量浮标。它用浮标内的存贮器记存测量信息，但不能提供实时测量信息。

在我国沿海分布着近60个海洋站。其海洋环境监测的总体技术水平不高其中尤以测波技术最为落后。光学测波仪仍是“当家”的主要仪器设备。在近海进行波浪测量特别是由外商委托的工程项目必定要使用从国外进口的测量设备。

海洋监测技术主题（818）为提高我国海洋环境自动监测技术水平改变测试设备的落后局面，创造了极好的机会。作为海洋环境自动监测技术课题（3180101）的一个组成部分，多功能波浪浮标将为洋站及近海波、表层海水温度、盐度等水文要素的自动化测量提供一种实用的测量设备。

2制工作基础

YZ-3型遥测波浪仪在1985年研制成功，1998年获中国科学院技术进步三等奖。该仪器是利用重力原理测量波高。其技术特点是在垂直加速度计的平衡系统中采用了万向节式的结构设计和浮标的系留结构设计。1987年在中国船舶工业总公司第七研究院第707研究所（具备环境试验资格单位）对波浪传感器进行了碰撞试验、摇摆试验、倾斜试验及高低温存贮试验并出具试验证书。

在YZ-3型遥测波浪仪结构设计的基础上，1991年研制SZF-1型数字式波温仪。1993年由国家海洋局在北海分局组织鉴定。1994年该仪器被编人《海滨台站观测仪器手册》。波温仪可测量波浪和表层海水温度两项水文要素。其技术特点是采用了单片机技术、数字电路及通讯技术。实现了仪器的智能化和自动化设计。

但上述两种仪器都不具备波向参数测量功能。

1995年开始波浪表观方向测量浮标系统的预研工作。其目的是研制一种表面浮标式的测量系统。利用表面自由浮标的随波运动性能实现对波向参数的自动测量。该项研究工作是在YZ-3型和SZF1-1型两种测量浮标的基础上进行的。至97年初，先后进行了倾斜角测量结构的设计及性能试验，倾角传感器的选型，浮标体选型计算等预备性研究工作。利用上海交通大学海洋工程实验室的基金支持，在船模水池完成了浮标模型试验工作。随后，开始了多功能波浪浮标的工作。可以说，波浪表观方向测量浮标系统预研工作，为承担多功能波浪浮标的研制工作打下了良好的基础。

3系统组成

多功能波浪浮标系统由浮标体部分和岸站接收处理机部分组成。

浮标体部分起着数据采集、处理和发送的作用。浮标体内安装了波高倾斜一体化传感器负责浮标内传感器数据采集、处理和控制；数据发射机，用于传输数据；电池用于供电。浮标法兰盘上安装了发射天线和锚灯。

浮标体内的仪器舱用不锈钢制成，外壳用玻璃钢材料制作，外壳与仪器舱之间填充发泡剂。

岸站接收处理机起接收、处理浮标发送数据的作用。其中安装了数据处理和控制板；数据接收机；接收天线；微型打印机；数据存储器；另外具备与计算机通讯的RS-232接口，可将数据实时传送给计算机。

4技术指标

4.1测且参数指标

当通讯距离3KM-4KM时，岸站接收机的接收天线应尽可能的架高。

4.3浮标使用环境条件

最大水深：50m

最大流速：2m/s

5研制工作

多功能波浪浮标研制工作的重点，主要放在浮标体及系留的设计及波高倾斜一体化传感器的设计。其它部分与SZF1-1型数字式波温仪基本相同。

5.1浮标体及系留的设计

浮标体系用多层复合材料，为扁椭球形；系留结构为单u形环式结构。

测量要求浮标体有良好的随波性。要有足够的抗倾覆能力以适应恶劣的海况条件。浮标的体积不宜过大，以便于使用。还应有较强的抗水平流作用的能力，以保持浮标的正浮姿态；减少倾角的测量误差。

薄圆饼形浮标的随波性能较好，但是在浮标尺浮度较小时，浮标容易发生倾覆。球形浮标的稳定性较好，而随波面倾斜的性能差。采用在浮标底部单点系留方式锚旋浮标，受水平流速的作用，浮标体会发生倾斜现象，影响对波面倾角的测量。

综合以上情况，我们选取了扁椭球体形浮标和单U形环系留结构。总体结构如图1所示。关于浮标体的随波运动性能，通过在上海交通大学船模水池进行的模型试验可以认为浮标的随波运动性能满足测量的要求。

关于系留结构最初的考虑是采用双平衡环式系留，如同船上磁罗盘的平衡架。这种结构在无水平流作用的情况下是可用的。当水平流速较大时，U形环不能保持其平面呈水平状态，而是环面顺流呈垂直状，浮标已不能绕轴随波面倾斜。为了考察标在风浪流联合作用下的运动性能利用海洋大学物理海洋实验室的风浪

流水槽进行了浮标模型试验。通过试验单U形环系留结构可用。从两个验中都可以看出在U形环上不能加重载，锚系以“轻、柔”为好。

浮标体部分总体结构

5.2波商倾斜一体化传感器

通过垂式平衡系统，把测量波高和倾角的两种测量元件组合在一起，使二者相对于一个共同的轴心点运动。

在YZ-3型遥测波浪仪中，为波浪传感器设计了一个万向节式的垂摆系统。对该传感器，在国家海洋标准计量中心进行了温度试验，在中船总七院707研究所进行了碰撞试验、摇摆试验、倾斜试验和高低温存贮试验。自1986年以来水池实体试验及实际使用情况表明，这套垂摆系统具有自摆周期短、倾角大、抗震能力强的特点。

在波高倾斜一体化传感器中，垂摆系统的结构没有改变。摆架的结构强度还有所增加。垂摆的摆长虽有增加通过重量的调整，其等效摆长增加不大，自摆周期（空气中）为0.5S，远小于浮标系统可测量的最小周期。采用数字化电路设计与模拟电路相比较，其稳定性和抗千扰性能都有很大提高。

传感器的设计特点是把波高测量和倾角测量组合成一体，利用垂摆结构实现。受重力和阻尼作用，当浮标随波面发生倾斜时，垂摆绕其摆心保持其铅直状态。此时，垂摆位角不同，摆轴或恻顶时针或逆时针转动。这样通过测量摆轴的转角大小和方向（通过测量角位移计的输出大小和正负）就可以计算出浮标倾斜的方位角。这个方位角也反映了波面倾斜的方向。用测量摆轴转角计算出来的这个方向，是相对测量传感器自身的测量基线的。经方位传感器对基线的地磁方位做校正，即得到波面倾斜的地磁方向。测量波高的垂直加速度计，安装在垂直摆的摆盒内。垂摆为垂直加速度计提供所需的“铅直运动”测量环境。

在波浪放置试验台上，对波高测量部分进行定标测试。用倾斜方位试验台对倾角测量部分进行定标测试。

6主要功能