海水光學(xué)硝酸鹽傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海水光學(xué)硝酸鹽傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程長(zhǎng)闊;宋家駒;楊鵬程;杜軍蘭【摘要】根據(jù)海水硝酸鹽紫外吸收光譜法測(cè)量原理，確定了海水光學(xué)硝酸鹽傳感器的組成與結(jié)構(gòu)方式;根據(jù)海水環(huán)境應(yīng)用要求，完成了傳感器殼體選材與抗壓計(jì)算;詳細(xì)闡述了機(jī)械制作工藝測(cè)量光路同軸度的保障方法，并對(duì)傳感器關(guān)鍵部分的密封方式、加工與裝配精度進(jìn)行了說(shuō)明，實(shí)現(xiàn)了傳感器水深100m的應(yīng)用要求.％Accordingtoultravioletabsorptionspectroscopymeasurementprincipleofseawaternitrate,compositionandstructureofseawaternitrateopticalsensorisdetermined.Accordingtoseawaterenvironmentapplicationrequirements,sensorshellmaterialselectingandcompressivestrengthcalculationarecompleted,methodofensuringtheopticalpathmeasuringcoaxialityisdescribedindetail,andsealingmethodandprocessingandassemblingprecisionofthekeypartsofthesensoraredescribed,applicationrequirementof100mwaterdepthisimplemented.【期刊名稱】《傳感器與微系統(tǒng)》【年(卷)，期】2017(036)012【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P75-77)【關(guān)鍵詞】硝酸鹽;傳感器源位測(cè)量;海水【作者】程長(zhǎng)闊;宋家駒;楊鵬程;杜軍蘭【作者單位】國(guó)家海洋技術(shù)中心,天津300111;天津市海華技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，天津300111;國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300111;國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300111【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TH122016年，我國(guó)近海局部海域污染嚴(yán)重、陸源排污壓力巨大、海洋環(huán)境災(zāi)害頻發(fā)等問(wèn)題依然突出，其主要污染要素為無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽和石油類［1］。為準(zhǔn)確快捷地對(duì)海水硝酸鹽進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，適應(yīng)海洋儀器無(wú)人值守應(yīng)用的趨勢(shì)，本文基于紫外光譜分析技術(shù)，設(shè)計(jì)了吸收光譜法海水硝酸鹽光學(xué)測(cè)量傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)海水硝酸鹽濃度長(zhǎng)期原位測(cè)量。根據(jù)硝酸鹽光學(xué)方法測(cè)量原理，傳感器主要由紫外光源、光纖、光學(xué)測(cè)量窗口、微型光譜儀、數(shù)據(jù)處理模塊、電刷等組成。如圖1所示。圖1紫外光源發(fā)射的紫外光經(jīng)光纖傳導(dǎo)到光學(xué)測(cè)量窗口，入射光經(jīng)過(guò)測(cè)量窗口后，部分特征波段被吸收，使得光強(qiáng)減弱，出射光經(jīng)光纖傳導(dǎo)到微型光譜儀，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)控制電路和信號(hào)處理電路得到吸收光譜。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)紫外吸收光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)海水硝酸鹽紫外吸收波段干擾物質(zhì)組成與建模算法研究［2~5］計(jì)算得到硝酸鹽濃度值，測(cè)量結(jié)果通過(guò)水密接頭與上位機(jī)進(jìn)行通信，完成整個(gè)儀器測(cè)量過(guò)程。電刷用于定期清潔光學(xué)測(cè)量窗口，避免海水微生物或泥沙長(zhǎng)時(shí)間積累對(duì)光學(xué)測(cè)量造成影響。考慮到傳感器要在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中長(zhǎng)期應(yīng)用，其外殼材料需要滿足高強(qiáng)度、耐海水腐蝕、較強(qiáng)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。聚甲醛是熱塑性結(jié)晶聚合物，被稱為〃賽鋼”，與傳統(tǒng)金屬材料相比，不僅具有高強(qiáng)度、模量、耐磨性、韌性和抗蠕變性等特性，還具有優(yōu)良的電絕緣性，適于在海水中長(zhǎng)期使用，不被銹蝕。因此，選用聚甲醛作為殼體的加工制作材料。設(shè)計(jì)傳感器最大工作深度為100m，最大承受壓力為1MPa。根據(jù)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能，采用圓柱形結(jié)構(gòu)。傳感器由光學(xué)測(cè)量窗口分為上下2個(gè)部分，計(jì)算壁厚時(shí)，以長(zhǎng)度較長(zhǎng)的上部分為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算方法遵循國(guó)家壓力容器壁厚計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[6]。夕卜壓圓筒容器的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)當(dāng)滿足P<[P]=式中[P]為許用設(shè)計(jì)外壓/為設(shè)計(jì)外壓；Pcr為臨界壓力，MPa;m為安全系數(shù)，壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定m>3o殼體承受的壓力除與圓筒材料的彈性模量E有關(guān)外，主要與圓筒長(zhǎng)度和直徑之比、直徑與壁厚比有關(guān)。工程上，圓筒壓力容器分為長(zhǎng)圓筒和短圓筒，長(zhǎng)、短圓筒的界定由圓筒長(zhǎng)度與直徑之比決定Lcr=1.17式中Lcr為筒體的臨界長(zhǎng)度；t為筒體壁厚；D為筒體的外直徑，mm。當(dāng)筒體長(zhǎng)度L>Lcr,為長(zhǎng)筒;L<Lcr,為短筒。殼體屬于短圓筒。壁厚按式(3)計(jì)算T=D2.5式中Pcr為臨界壓力，MPa;L為筒體的長(zhǎng)度，mm。已知?dú)んw的最大承受壓力即設(shè)計(jì)壓力P=1MPa;壓力容器的設(shè)計(jì)規(guī)定m>3，并滿足式(1)，在穩(wěn)定系數(shù)m=3時(shí)，臨界壓力Pcr=3[P],因此，Pcr=3Mpa,P<Pcro計(jì)算壁厚時(shí)，可先將設(shè)計(jì)內(nèi)徑尺寸代入式(3)計(jì)算得到壁厚t的參考尺寸。夕卜徑等于內(nèi)徑加2倍的壁厚，再將t代入式(4)驗(yàn)證所取尺寸的正確性，求出PP=2.59E若P>Pcr,則壁厚滿足設(shè)計(jì)要求。吸收光譜法海水硝酸鹽測(cè)量光路方式通?？煞譃榉瓷涫胶腿肷涫絻煞N光路，反射式光路光譜儀與紫外光源在同一側(cè)，紫外光經(jīng)光纖傳輸，透過(guò)反射探頭光學(xué)測(cè)量窗口，經(jīng)反射到達(dá)光譜儀，獲取吸光度數(shù)據(jù)。透射式光路紫外光源與光譜儀在不同兩側(cè)，以光學(xué)測(cè)量窗口分隔，光由光源發(fā)射經(jīng)光學(xué)測(cè)量窗口進(jìn)入微型光譜儀，獲取吸光度數(shù)據(jù)。透射式光路待測(cè)溶液對(duì)入射光只有一次吸收作用，傳感器光路系統(tǒng)在相同光衰減率的情況下，透射式光路進(jìn)入到微型光譜儀的光信號(hào)更強(qiáng)，進(jìn)而提高了硝酸鹽可測(cè)量濃度的最大值和信噪比。光學(xué)測(cè)量窗口位于傳感器中部，同時(shí)具有連接傳感器上下部分的作用，為了保證光學(xué)測(cè)量窗口的易維護(hù)性和整體的易裝配性，保障窗口夕卜表面良好的光潔度和電刷的順利裝配，將窗口設(shè)計(jì)為端蓋入端蓋B和端蓋定位件三個(gè)獨(dú)立部分，端蓋A和端蓋B用作外殼A和外殼B的平面密封接頭，端蓋定位件用于連接傳感器上下兩個(gè)部分。由于光源和光譜儀分布在窗口的兩側(cè)，需要保證窗口的三個(gè)部分具有較高同軸度。如圖2所示，組件由端蓋^端蓋B和端蓋定位件組成，其中A和B上的光學(xué)窗口和電刷孔，以及用于同軸度控制和定型的定位銷孔和螺栓鎖緊孔?？紤]到機(jī)械加工制作水平，分為4個(gè)步驟進(jìn)行加工制作：1） 對(duì)端蓋A和B進(jìn)行面加工、孔加工和密封倒角加工，保證各表面光潔度要求指標(biāo)，不對(duì)零件外圓進(jìn)行加工；2） 對(duì)端蓋定位件進(jìn)行面加工、孔加工和密封倒角加工，保證各平面光潔度要求指標(biāo)，不對(duì)零件外圓進(jìn)行加工；3） 按工程圖要求安裝端蓋與端蓋定位件，確保外圓大致同軸后，加工定位銷孔，用定位銷定位端蓋與端蓋定位件，加工端蓋與定位件的螺紋通孔，安裝螺栓后鎖緊；4） 對(duì)端蓋與定位件光纖孔和電機(jī)軸孔進(jìn)行加工，由于端蓋與定位件處于銷緊狀態(tài)，容易確保三個(gè)零件光纖孔和電機(jī)軸孔的同軸度，按照傳感器整體配合尺寸，進(jìn)行外圓加工和配合螺紋加工。按運(yùn)動(dòng)方式不同，密封方式可分為靜密封和動(dòng)密封。如圖3所示，傳感器的密封件選用O形橡膠密封圈，電刷軸與端蓋A的裝配屬于動(dòng)密封中的轉(zhuǎn)動(dòng)密封，按液壓用O形圈徑向密封溝槽尺寸［7］設(shè)計(jì)電刷軸上的密封溝槽，O型密封圈線徑壓縮率設(shè)計(jì)為3%~5%。其他密封均屬于靜密封。本文采用角密封方式，角密封的密封強(qiáng)度大，且各零件易于裝配。密封角度為45°，密封直角邊長(zhǎng)度為密封圈線徑的1.3倍，密封圈線徑壓縮率為20%。由于電刷是外購(gòu)件，外徑尺寸是確定的，因此電刷軸與端蓋的配合采用基軸制，傳感器其他軸與孔的配合均采用基孔制。根據(jù)海水使用環(huán)境和壓力等級(jí)，配合公差帶選擇H8/f7，根據(jù)《實(shí)用公差與配合技術(shù)手冊(cè)》［8］確定軸孔相應(yīng)加工尺寸，例如窗口玻璃壓欄與端蓋A的配合屬于軸孔配合，如圖4,窗口玻璃壓欄和端蓋A的直徑設(shè)計(jì)尺寸為14mm,按H8/f7公差帶相應(yīng)公差為和為了檢驗(yàn)傳感器的水密耐壓性能，2017年8月在天津市海華技術(shù)開(kāi)發(fā)中心水壓測(cè)試室對(duì)傳感器進(jìn)行了水靜壓力試驗(yàn)。壓力系統(tǒng)為JSA1-1型壓力試驗(yàn)系統(tǒng)，，測(cè)量范圍為0~10MPa,不確定度或準(zhǔn)確度等級(jí)或最大允許誤差0.4級(jí)。1） 試驗(yàn)條件：試驗(yàn)壓力為1.25MPa;保壓時(shí)間為1h。2） 檢測(cè)結(jié)果：將海水硝酸鹽傳感器放入壓力試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行上述條件的水靜壓力試驗(yàn)，經(jīng)檢查試驗(yàn)后，樣品未變形，未滲漏。從殼體選材與抗壓計(jì)算、測(cè)量光路同軸度保障、密封方式、加工與裝配精度等主要技術(shù)環(huán)節(jié)對(duì)海水硝酸鹽測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了闡述。傳感器通過(guò)100m水靜壓力檢測(cè)，達(dá)到了水深100m的應(yīng)用要求，實(shí)現(xiàn)了海水硝酸鹽濃度原位快速長(zhǎng)期測(cè)量?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】石強(qiáng)，陳江麟,李崇德.渤海硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮季節(jié)循環(huán)分析[J].海洋通報(bào),2001,20(6):32-39.ZhangJZ,FischerCJ.Asimplifiedresorcinolmethodfordirectspectrophotometricdeterminationofnitrateinseawater[J].MarineChemistry,2006,99(1-4):220-226.CentleBS,EllisPS,GraceMR,etal.Flowanalysismethodsforthedirectultra-violetspectrophotometricmeasurementofnitrateandtotalnitrogeninfreshwater[J].AnalyticaChimicaActa,2011,704(1/2):116-122.程長(zhǎng)闊，楊鵬程，王寧，等.光譜預(yù)處理方法對(duì)硝酸鹽測(cè)量模型影響實(shí)驗(yàn)研究及軟件設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，2015,34(2):69-73.楊鵬程，杜軍蘭,程長(zhǎng)闊.間