浪高仪校准

一、概述

浪高仪是用于测量自由水面波动幅值的仪器。按其测量原理可分为电容式、超声波式、压力式、光学式等类型。电容式浪高仪通过检测水面变化引起的电容值变化换算波高；超声波式浪高仪通过测量声波往返时间计算水面距离；压力式浪高仪通过测量水下某固定深度处的动水压力推算波高；光学式浪高仪利用激光或图像技术获取水面高程。为保证波浪测量数据的准确性，浪高仪需按周期进行校准。本文规定了浪高仪校准的条件、校准项目、校准方法及数据处理要求。

二、校准环境条件

环境温度：校准实验室温度应在15℃～30℃范围内，校准过程中温度变化不超过±2℃。

相对湿度：不大于85%RH。

校准水槽：用于动态校准的造波水槽长度不小于10m，宽度不小于0.5m，深度不小于0.8m，槽壁应平整以减少反射干扰。用于静态校准的升降平台行程应覆盖仪器量程，定位精度不低于0.1mm。

水质：校准用水应清洁，无大量气泡和悬浮杂质。对于电容式浪高仪，应使用与现场相同的电解质特性的水体，或在数据处理中标注校准用水的电导率参数。

电磁环境：校准区域应远离强电磁干扰源，避免对仪器传感电路和信号输出造成影响。

三、校准用标准设备

序号	设备名称	技术指标要求
1	标准位移发生器/精密升降台	位移定位不确定度不大于被校仪器最大允许误差的1/3
2	标准量块	厚度不确定度不大于±0.01mm
3	高精度数字万用表	电压/频率测量不确定度不大于被校仪器最大允许误差的1/5
4	标准水位计	分辨率0.01mm，准确度±0.05mm
5	标准温度计	分辨率0.1℃，准确度±0.2℃
6	标准压力计	压力测量不确定度不大于被校仪器最大允许误差的1/3（适用于压力式浪高仪）
7	函数信号发生器及数据采集卡	采样频率不低于仪器标称最高工作频率的10倍
8	激光位移传感器（参考级）	位移测量不确定度不大于±0.05mm（用于动态比对）

四、校准项目及方法

4.1 外观及通电检查

检查仪器探头、传感器杆体有无弯曲、裂纹、腐蚀或密封失效。检查电缆、接插件是否完好。接通电源后，观察仪器自检过程是否正常完成，信号输出是否稳定。对于具备通信功能的浪高仪，检查数据输出格式是否正确，采样频率设置是否可正常调节。

4.2 零点校准

将浪高仪探头置于静止水面处（或按仪器说明书规定的零位参考面位置），待水面完全平静后，连续记录不少于60秒的零点输出数据，取算术平均值作为零点输出值。对于非接触式浪高仪，将探头对准静止平面（标准反射板或平静水面），记录零点输出值。零点输出值应与仪器技术说明书规定的零位参考值一致，偏差不得超过允许范围。

4.3 静态量程校准

4.3.1 升降台法

将浪高仪固定在精密升降台上，使探头位于初始零位。通过升降台逐次改变探头的垂直位置，模拟水面上升或下降的不同高度。按量程均匀分布选取不少于7个校准点（含零点和满量程点），从下限开始逐点正向加载至上限（正行程），再从上限逐点卸载回到下限（反行程）。每个校准点稳定后记录浪高仪输出值，每个点重复测量不少于3次，取算术平均值。

4.3.2 标准量块法

对于量程较小的浪高仪，可使用标准量块叠加的方式提供已知高度变化量。将量块置于探头下方的基准面上，逐级改变量块厚度，记录仪器对应输出值。

4.3.3 压力式浪高仪校准

将压力传感器置于标准压力校验仪的加压腔中，或直接浸入已知深度的静水水域中。按量程选取不少于5个压力校准点，逐点记录传感器的输出值，与标准压力值进行比对。利用静水压力公式计算对应波高：

h =    ρg   p − p 0

式中：

h——对应水深，单位m；

p——传感器测得的压力值，单位Pa；

p 0 ——大气压力值，单位Pa；

ρ——水的密度，单位kg/m³；

g——当地重力加速度，单位m/s²。

4.4 动态响应校准

将浪高仪安装于造波水槽中，启动造波机产生规则波，依次设定不少于5个波高等级和不少于3个波周期。使用激光位移传感器或标准水位计同步测量水面波动，以标准设备的测量结果为参考值，计算浪高仪测得的波高、周期的示值误差。同时评估仪器的动态跟随能力，检查是否存在明显的相位滞后或波形畸变。

对于不具备造波水槽条件的，可使用标准位移发生器输出正弦规律变化的位移信号，模拟周期性波浪运动，测试仪器的频率响应特性和幅频特性。

4.5 频率响应测试

使用函数信号发生器驱动标准位移装置，输出不同频率的正弦位移信号，频率范围应覆盖仪器标称的工作频率范围（通常为0.05Hz～10Hz）。记录浪高仪在各频率点上的输出幅值与标准位移幅值的比值，绘制幅频响应曲线。在标称工作频率范围内，幅值衰减不应超过规定限值（通常为-3dB以内）。

4.6 迟滞误差测试

在静态量程校准过程中，分别记录正行程和反行程各校准点的仪器示值，按式（1）计算各校准点的迟滞误差：

H i  =  ∣ y ˉ  up,i  −   y ˉ  down,i ∣

式中：

H i ——第 i个校准点的迟滞误差，单位mm；

y ˉ  up,i ——正行程第 i个校准点的仪器示值平均值，单位mm；

y ˉ  down,i ——反行程第 i个校准点的仪器示值平均值，单位mm。

4.7 重复性测试

在同一校准点重复施加相同的标准位移量，连续测量不少于10次，按式（2）计算实验标准差：

s =     n − 1   ∑ j=1 n (y j  −  y ˉ ) 2

式中：

s——实验标准差，单位mm；

y j ——第 j次测量的仪器示值，单位mm；

y ˉ —— n次测量的算术平均值，单位mm；

n——测量次数。

4.8 温度影响测试

将浪高仪探头置于恒温水箱中，连接好信号采集线路。设定水箱温度为仪器工作温度范围的下限值，待温度稳定后记录仪器零点输出值。依次升高温度至各特征温度点，每个温度点稳定后记录零点输出值。计算温度每变化1℃引起的零点漂移量，即温度系数：

α T  =    T max  − T min    max(y Ti ) − min(y Ti )

式中：

α T ——温度系数，单位：mm/℃；

y Ti ——第 i个温度点的零点输出值，单位mm；

T max 、 T min ——最高和最低校准温度，单位℃。

4.9 采样频率校准

使用标准频率信号源输出已知频率的方波或脉冲信号，接入浪高仪的数据采集端口（或通过同步触发方式），记录仪器在单位时间内采集到的数据点数量，与标准频率值进行比对，验证采样频率的准确性。

五、数据处理

5.1 示值误差计算

单个校准点的示值误差按式（4）计算：

Δy i  =   y ˉ  i  −  y si

式中：

Δy i ——第 i个校准点的示值误差，单位mm；

y ˉ  i ——浪高仪在第 i个校准点的示值平均值，单位mm；

y si ——第 i个校准点的标准位移值，单位mm。

5.2 线性度计算

L =    Y FS    max(∣Δy i ∣)   ×  100%

式中：

L——线性度，%；

Y FS ——满量程输出值，单位mm。

5.3 动态波高误差计算

在动态校准中，有效波高示值误差按式（6）计算：

ΔH =  H m  −  H s

式中：

ΔH——有效波高示值误差，单位mm；

H m ——浪高仪测得的有效波高，单位mm；

H s ——标准设备测得的有效波高，单位mm。

5.4 校准结果判定

将各项目的实测误差与仪器技术说明书规定的最大允许误差进行比较。全部校准项目均不超过最大允许误差的，判定该校准合格；任一项目超差的，判定为不合格，并注明不合格项目。对于部分项目超差但经修正后可满足使用要求的，可在校准报告中给出修正值或修正曲线。

六、校准周期

浪高仪的推荐校准周期为12个月。对于长期连续工作于海洋或野外恶劣环境中的仪器，可根据实际运行情况缩短至6个月。仪器更换传感器探头、电子模块或经过维修后，应重新进行校准。在两次校准之间，建议每次使用前进行零点核查，每季度进行一次现场静态比对。

七、校准记录

校准完成后应填写校准记录，内容包括：仪器名称、型号规格、出厂编号、制造厂商、测量原理、量程范围、分辨力、校准日期、校准环境条件（温度、湿度、水质电导率等）、使用的标准设备及其证书编号、各校准项目的原始数据、数据处理结果、校准结论及校准人员签字。校准记录保存期限不少于两个校准周期。