基于高精度温度传感器的北斗探空仪系统设计

发布时间：2019-07-23 17:08

【摘要】：无线电探空仪是一种高空气象数据探测装置,通常由气象气球搭载,以5～6m/s的速度升至高空,由内部装载的温度传感器、湿度传感器、气压传感器以及风速风向传感器对周围环境进行实时测量,并通过内置无线传输单元将采集到的数据传输至地面,供地面工作人员进行分析使用。目前,珠状热敏电阻传感器是无线电探空仪进行高空气象探测的主流温度传感器,由于工艺等原因,珠状热敏电阻的体积通常在1mm量级,不利于提高其对流换热能力,在高空仍有显著的太阳辐射升温效应。本文提出并试制了一种应用于高空气象探测的基于0.02 mm直径铂电阻丝的E型高精度温度传感器,并设计了一种北斗探空仪系统。利用计算流体动力学(CFD)方法对该传感器进行仿真分析,采用准牛顿(BFGS)法对计算结果进行拟合,获得太阳辐射升温量修正方程。北斗探空仪系统分为空中子系统和地面接收系统,地面接收系统由地面接收器和上位机软件组成,可实现高空气象探测自动采集、处理、传输、显示与保存。为验证该探空仪的实际性能,搭建了测试平台,实验结果表明,E型高精度温度传感器太阳辐射升温量仅为珠状热敏电阻太阳辐射升温量的57%～71%,辐射升温量修正值与实验测量值之间的均方根误差(RMSE)为0.013 K,该结果说明本文设计的E型高精度温度传感器与珠状热敏电阻传感器相比,可显著降低太阳辐射升温量,验证了 CFD方法与BFGS法的可行性与准确性。本文设计的北斗探空仪系统与传统探空仪相比,具有国产化程度高、温度测量精度高、自动化程度高等特点,该类型探空仪经过进一步优化改进有望在不远的将来替代国内引进的探空仪,实现高空气象探测装备数字化、自主化。
【图文】：

通过内部测风雷达或者利用ＧＰＳ定位单元计算出来。空中子系统所测数据经过逡逑编码压缩，通过内部无线电发射装置，源源不断的将数据发送至地面接收系统，逡逑供地面工作人员分析使用。无线电探空仪组成如图１．１所示。逡逑．邋＼／邋逦逡逑｜温度传感器逡逑湿度传感器发射机逦丨}0匕逦．．．，ｎ逡逑－逦主控制器邋逦Ｗ逦逦主控制器＝５上位机逡逑气压传感器ｈ逦｜｜逦Ｈ逦逦逡逑碰~#＾逦＝５调制设备逦解调设备＝＞逡逑（ａ）空中子系统逦（ｂ）地面接收系统逡逑图１．１无线电探空仪组成框图逡逑１．３国内外研宄现状逡逑二十世纪初，前苏联研制出了世界上最早的可用在气象业务上的探空仪。逡逑探空仪自二十世纪二十年代左右获得了飞速发展。芬兰ｖｉｉｈｏ邋ｖａｉｓａｉａ教授于逡逑１９３１年发明了无线电探空仪，该类探空仪现今已被世界各国广泛应用于平流层逡逑各种气象要素数据采集领域。目前，全球无线电探空仪领域有６７％的市场被芬逡逑兰维萨拉公司占据。Ｖａｉｓａｌａ公司在本世纪初研制出了采用ＧＰＳ模式工作的数字逡逑化无线电探空仪ＲＳ９２，自此，在Ｖａｉｓａｌａ公司的引领下，全球无线电探空仪行逡逑２逡逑

１．３．１邋Ｖａｉｓａｌａ无线电探空仪逡逑芬兰Ｖａｉｓａｌａ公司在环境测量技术方面位居世界前列，平流层及以下部分气逡逑象探测装置主要为ＲＳ９２系列，图１．２为ＲＳ９２实物图。ＲＳ９２为各国在平流层及逡逑以下海拔高度大气探测工作中做出了巨大的贡献，它能提供精确的高空ＰＴＵ气逡逑象数据，主要工作在４００邋ＭＨｚ的气象频段内。另外，，经过ＣＡＬ－４校准之后，逡逑ＲＳ９２所使用的ＧＰＳ工作方式为大气探测提供了高精度、高分辨率的风速风向逡逑数据。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH765;TP212

【参考文献】

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1 戴伟;刘清`

本文编号：2518282