投入式波高儀的原理及應用

投入式波高儀是一種專門設計用于直接浸沒在水中來測量水面波高（波浪高度）變化的儀器。它是海洋觀測、港口工程、水利工程、實驗室物理模型試驗等領域中常用的波浪測量設備。

以下是關于投入式波高儀的關鍵信息：

1. 核心工作原理：

• 壓力傳感式 (最常見)： 這是最主要的工作原理。儀器內置高精度的壓力傳感器。它測量儀器所在深度處的靜水壓力（由上方水柱重量產生）和動水壓力（由波浪運動引起的水質點速度產生）。

• 壓力與水深關系： 靜水壓力 P_static = ρ * g * h (ρ為水密度，g為重力加速度，h為水深)。通過測量總壓力，并利用這個關系，可以計算出儀器上方水柱的高度（即瞬時水深）。

• 波浪高度計算： 當波浪經過儀器上方時，瞬時水深 h(t) 會圍繞一個平均水深 h_mean 上下波動。這個波動量 η(t) = h(t) - h_mean 就是儀器所在位置處的波面高程（相對于平均水面的高度）。通過連續記錄 η(t) 隨時間的變化，就得到了波浪的時間序列（波高記錄）。

2. 主要結構組成：

• 壓力傳感器核心： 高靈敏度、高穩定性、低漂移的壓力傳感元件（如壓阻式、壓電式、電容式等）。

• 信號處理單元： 將傳感器輸出的微弱信號進行放大、濾波（去除高頻噪聲和低頻漂移）、模數轉換等處理。

• 數據存儲/傳輸單元： 將處理后的數據存儲在內部存儲器中，或通過電纜（最常見）實時傳輸到岸上/船上的數據采集系統。部分現代型號也支持無線傳輸（如通過浮標平臺上的無線模塊）。

• 防水密封外殼： 采用耐腐蝕材料（如鈦合金、不銹鋼、工程塑料）制成，具有高的密封防水等級（通常達到幾十米甚至幾百米水深），保護內部電子元件。

• 電源： 內置電池（用于短期或自容式測量）或通過電纜供電（用于長期連續觀測）。

• 連接器/電纜： 用于供電和數據傳輸的防水電纜及接頭。

• (可選) 溫度傳感器： 用于測量水溫，因為水的密度ρ隨溫度變化，精確的壓力-水深換算需要溫度補償。

3. 主要特點與優勢：

• 安裝便捷： 只需將其沉放到目標水深位置即可，無需復雜的固定支架（如聲學或雷達波高儀所需）。可以固定在海底、錨系浮標下方、碼頭結構上、實驗水槽底部等。

• 測量點在水下： 不受水面泡沫、漂浮物、油污、雨雪、強風等水面干擾因素的影響。

• 相對堅固耐用： 設計用于水下惡劣環境。

• 可測量較大范圍水深： 從淺水到深水均可適用，取決于儀器的壓力量程和防水等級。

• 成本相對較低： 相比于一些非接觸式波高儀（如雷達波高儀），通常成本更具競爭力。

• 可同步測量水深： 除了波高，也能提供精確的安裝點水深信息。

4. 主要應用場景：

• 近海/離岸波浪觀測（固定平臺、浮標系統）。

• 港口、碼頭、防波堤附近的波浪監測。

• 海岸工程（如護岸、沙灘養護）的波浪影響評估。

• 水利工程（水庫、河道）的波浪觀測。

• 船舶與海洋結構物水動力性能試驗（水池試驗）。

• 物理模型試驗（水槽、港池中的波浪測量）。

• 水下作業環境（如潛水作業、水下施工）的波浪安全監測。

5. 關鍵性能參數與技術考慮：

• 量程： 最大可測波高（通常與安裝水深有關）和最大工作水深（耐壓深度）。

• 精度： 波高測量精度（通常為厘米級或更高）。

• 分辨率： 可分辨的最小波高變化。

• 采樣率： 數據采集頻率（Hz）。需要足夠高（通常幾十Hz）才能準確捕捉波浪的細節，特別是高頻波。

• 動態響應： 傳感器對壓力快速變化的響應能力。需要足夠快才能跟上波浪運動。

• 零點漂移和溫度漂移： 傳感器隨時間或溫度變化產生的誤差，越低越好。

• 輸出信號/接口： 模擬輸出（如4-20mA, 0-5V）或數字輸出（如RS232, RS485, SDI-12, Modbus）。

• 電源要求： 電壓、功耗。

• 防護等級： 防水、防腐蝕性能（IP68/IP69K, 材料選擇）。

• 安裝方式： 是否需要固定基座、配重等。

6. 使用注意事項：

• 安裝深度： 儀器應安裝在平均水面以下足夠深度，以避免波浪破碎時暴露在空氣中。但也不宜過深，否則小波浪的信號會被淹沒在靜水壓力中。通常建議安裝在水深的1/2到2/3處。

• 動態壓力修正： 對于壓力式波高儀，其測量結果包含了動水壓力分量（與水質點速度有關）。在淺水或大波陡情況下，這個分量可能顯著，需要進行動力校正才能得到更準確的波面高程。現代智能波高儀通常內置或配套軟件提供校正算法。

• 生物附著： 長期布放時，傳感器膜片或外殼上的生物附著（如藤壺、藻類）會嚴重影響測量精度，需要定期清理或使用防污涂層。

• 電纜保護： 連接電纜需要妥善固定和保護，防止被船只、錨等掛斷或磨損。

• 校準： 定期進行校準（通常在實驗室壓力罐中進行）以保證精度。

總結：

投入式波高儀（尤其是壓力式）是一種可靠、實用、應用廣泛的波浪測量工具。其水下安裝、抗干擾、易于部署的特點使其在工程實踐和科學研究中具有重要地位。選擇時需要根據具體的應用場景（水深、波浪條件、安裝方式、測量精度要求、長期/短期、成本預算等）來考慮其量程、精度、采樣率、防護等級等關鍵參數，并注意安裝深度和可能的動力校正需求。

它常與波浪方向儀、流速儀、潮位儀等其他海洋儀器配合使用，提供更全面的海洋環境信息。