氣象預(yù)測對日常生活及生產(chǎn)指導(dǎo)具有重要的意義,從古至今人們采用了各種手段來研究天氣變化,以便用于實(shí)際參考。尤其是在科技文明并不發(fā)達(dá)的農(nóng)耕時代,天氣條件對農(nóng)業(yè)和軍事的影響非常大。直到上個世紀(jì)六十年代以后,氣象衛(wèi)星及相關(guān)先進(jìn)計(jì)算、測量技術(shù)的出現(xiàn),人工天氣預(yù)報(bào)才有了比較大的進(jìn)步。隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展,越來越多的工具被用到氣象預(yù)測上,搭載了氣象探空儀的探空氣球便是其中較為廉價、方便的一種。
探空氣球依靠空氣浮力上升,通過搭載的各類氣象探空儀器收集、測量所需的數(shù)據(jù),然后傳回地面中心。其中,溫度傳感器、濕度傳感器和數(shù)字壓力傳感器是這些儀器中比較常見的測量元件,它們分別用于獲取氣球在上升時溫濕度和氣壓數(shù)據(jù)。但僅僅只測量是還不夠的,同時還需要知道測量所在的區(qū)域。因此,還需要通過GPS模塊來確定探空氣球的經(jīng)緯度。而后,再結(jié)合由氣壓推算出的海拔高度,這才算是做到了真正的三維空間氣象數(shù)據(jù)測量。
我國新型探空火箭研發(fā)
2016年5月,為掌握海上災(zāi)害性天氣的發(fā)生和發(fā)展過程,提高海洋氣象災(zāi)害的預(yù)報(bào)精度,中國科學(xué)院大氣物理研究所無人艇研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功研制了一種基于自控駕駛的半潛式海洋氣象觀測專用無人艇。
該艇是一種自動駕駛的水面機(jī)器人,是世界上首艘可以發(fā)射探空火箭的無人艇?;谛l(wèi)星定位導(dǎo)航和艇載姿態(tài)傳感器等信息,該艇可實(shí)現(xiàn)自動部署、自動觀測、自動發(fā)射探空火箭和自動傳輸觀測數(shù)據(jù)等功能。

該艇可通過發(fā)射探空火箭,將下投式探空儀發(fā)射至指定高度,在探空儀下落過程中對中下對流層進(jìn)行高精度的探測。通過探空儀攜帶的各類傳感器元件(溫濕度傳感器、數(shù)字壓力傳感器等),可準(zhǔn)確獲取海洋邊界層內(nèi)高垂直分辨的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向廓線。
探空氣球的工作原理
那么,探空氣球究竟是什么東西呢?簡單來說,作為一個載體,氣球攜帶探空儀升空,在上升過程中,探空儀測定不同高度和經(jīng)緯度的溫度、氣壓、空氣濕度等氣象數(shù)據(jù),并將其通過無線電信號發(fā)回地面。具體來說,探空儀設(shè)備上的綠色部分為探空儀采集板,連接采集板的是探臂,在探臂和采集板上共有溫度、濕度和壓力傳感器,一共是三個傳感器。
在我國,目前有120個氣象探空站,每天都會進(jìn)行兩次探空氣球的放飛。收集到的數(shù)據(jù)不僅用于我國的氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù),還用于國際氣象數(shù)據(jù)交換。這也意味著,每天我國至少需要使用240個探空儀,每年需要至少8.76萬個。
探空儀中的傳感器原理與制造
總的來說,氣象高空探空儀,由對溫度、氣壓、濕度反應(yīng)靈敏的傳感器感應(yīng)元件及轉(zhuǎn)換電路組成。其中,數(shù)字壓力傳感器等元件的電參量隨著空氣中的溫度、氣壓、濕度的變化而變化。而轉(zhuǎn)換電路則對變化的電參量進(jìn)行采集、編碼而形成探空數(shù)字信號,并通過探空儀發(fā)射機(jī)發(fā)回地面,雷達(dá)把探空數(shù)據(jù)接收下來,就得到空中不同高度的溫度、氣壓和濕度3個氣象要素的資料了。

關(guān)于壓力傳感器的選擇工采網(wǎng)給出的解決方案是可以用MS5607型號的:
美國MEAS 高分辨率數(shù)字壓力傳感器 - MS5607-02BA03
該數(shù)字壓力傳感器與以往的MS5534/5540//5561相比壓力的分辨率由0.1mbar(1米)提升到了0.024mbar(20cm),溫度分辨率由0.01°C提高到了0.002°C,轉(zhuǎn)換時間由之前的35ms提高到了1ms。同時測量范圍由10-1100mbar擴(kuò)大到了10-1200mbar。
精度并沒有提高,仍舊是+/-1.5mbar。功耗由以前的4μA降低到了1μA。不管是MS5534/5540還是MS5561,他們的16位信號均是采用的三線SPI傳輸。而MS5607的24位數(shù)據(jù)可以選擇SPI或者I2C的方式進(jìn)行信號傳輸。
溫濕度傳感器可以選擇法國Humirel 數(shù)字輸出溫濕度傳感器HTU21D:
新款數(shù)字式溫濕度復(fù)合傳感器HTU21D樹立了新的濕度傳感器的尺寸和智能化典范:采用適合回流焊的DFN封裝,尺寸僅為3 x 3 x 1mm;提供經(jīng)過校正的,線性的I2C數(shù)字輸出信號。完全可互換,無需重新校正,長期飽和后迅速恢復(fù),單獨(dú)標(biāo)識,符合嚴(yán)格的追溯要求 。
在探空儀制造過程中,從出廠到升空,需要對儀器進(jìn)行性能測試。比如,通過壓縮機(jī)和真空泵,改變箱體的溫度和壓力,模擬大氣壓,來對壓力傳感器準(zhǔn)確性進(jìn)行測試;利用恒溫槽進(jìn)行制冷循環(huán),模擬出氣溫變化,從而對溫度傳感器的性能進(jìn)行測試;還會將濕度傳感器放入溫濕度檢測箱,對其進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)。此外,還會對探空儀進(jìn)行無線電信號測試,以檢測數(shù)據(jù)信號能否準(zhǔn)確發(fā)射。
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