【摘 要】
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海水的盐度是海洋研究中最重要的物理量之一,表征了溶解于海水中物质的总量。在洋流行为、海洋生物活动、海气相互作用中扮演着重要作用,对气候变化、海洋生态、海水养殖、深海潜航等方面有着重要影响。因此,海水的盐度测量有着重要意义。当前,海水盐度的测量主要采用基于电导率原理的温盐深仪(CTD),该方法通过测量海水的电导率、温度和压力,基于经验性公式计算得到海水的盐度信息。基于该方法得到的海水盐度是实用盐度,
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海水的盐度是海洋研究中最重要的物理量之一,表征了溶解于海水中物质的总量。在洋流行为、海洋生物活动、海气相互作用中扮演着重要作用,对气候变化、海洋生态、海水养殖、深海潜航等方面有着重要影响。因此,海水的盐度测量有着重要意义。当前,海水盐度的测量主要采用基于电导率原理的温盐深仪(CTD),该方法通过测量海水的电导率、温度和压力,基于经验性公式计算得到海水的盐度信息。基于该方法得到的海水盐度是实用盐度,是通过比值计算得到的无量纲标量。随着对海洋研究的进一步深入,海水成分被深入考查,其中部分物质对海水盐度和密度的影响关系得到了建立。作为海水成分中的一类重要物质,溶解有机物可以对海水盐度和密度产生重要影响,却对电导率没有贡献,故电导率法无法反映海水中溶解有机物的含量变化,目前对电导率测量的盐度尚缺乏相关的校正方法。理论上,折射率测量方法可以对全部溶于海水中的成分进行表征,因此可以反映出溶解有机物的影响。在海水折射率盐度测量方法中,基于V型槽折射原理的盐度传感器具有结构简单、灵敏度高、受海水流动状态影响小的优点,被我们选为测量海水折射率并研究有机物含量变化的传感器。本文的主要研究内容为:(1)分析V型槽的光路传输情况,并根据测量需求和器件性质选择合适的测量范围和灵敏度。(2)结合仿真分析,搭建了符合测量需求高灵敏度的折射率盐度传感器,基于位置敏感器件(PSD)对折射率的测量灵敏度达到0.96 m/RIU。(3)为保证恒温下进行折射率的高稳定性测量,对系统进行了控温,并实现了1.5×10-5 RIU以内的折射率测量精度。(4)利用该系统研究了在不同温度、不同盐度下模拟海水中的尿素含量变化对电导率与折射率测量结果的影响,得到了尿素与海水折射率间的相关关系。本文的主要创新点为:(1)首次测量并分析了尿素对海水折射率的影响,得到了不同温度、盐度下折射率与尿素的回归关系,验证了折射率方法相较于电导率方法可以更有效地测量溶解于海水中的有机物成分。(2)提出了一种在尿素含量较高的海水中,通过对比基于电导率法和折射率法测量的盐度结果,得到尿素含量的方法。本文的测量结果显示,在20℃下,35 PSU的模拟海水中加入1g/kg的尿素成分,采用电导率法测量对实用盐度无显著影响,而采用折射率法会导致1.493×10-4的折射率增加,对盐度测量结果带来0.8228 PSU的差值。对于因含有尿素等溶解有机物而导致组分与标准海水有差异的海水,可以通过电导率和折射率的比测,获得海水实用盐度和溶解有机物成分含量的信息。
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