基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法制造方法及图纸

基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法，包括四轴飞行器、基于静压头的气压测量装置、单片机、无线通信模块、飞行控制模块、GPS定位模块以及数据处理中心。基于静压头的气压测量装置包括静压头、巨压阻压力传感器、放大滤波电路、A/D模数转换器以及用于处理数据的单片机。本发明专利技术所述的基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法实现了对微压突变测量的高可靠性与高稳定性，可应用于监测气压突变所对应的气候变化，实现对气象灾害的预警。

Micro pressure abrupt measuring device and method based on four axis aircraft and hydrostatic head

The micro pressure mutation measuring device and method based on four axis aircraft and static pressure head include four axis aircraft, air pressure measuring device based on static pressure head, single chip microcomputer, wireless communication module, flight control module, GPS positioning module and data processing center. The pressure measuring device based on the static pressure head includes the static pressure head, the giant piezoresistive pressure sensor, the amplifying filter circuit, the A/D analog to digital converter, and the single chip computer for processing data. The micro pressure mutation measuring device and method based on the four axis aircraft and the static pressure head have achieved high reliability and high stability for micro pressure mutation measurement, and can be used to monitor the climate change corresponding to the gas pressure mutation and realize the early warning of the meteorological disaster.

【技术实现步骤摘要】
基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法
本专利技术涉及一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法，尤其适用于1km海拔以下气压微弱变化的测量。
技术介绍
气压的微小突变一直是气象研究的一个重点，与气象灾害形成密切相关，所以，对微压突变的有效监测有利于气象灾害预警。目前，气压的测量主要用压阻式压力传感器，其成本低，但是它的测量精度较低，很难检测出气压中的微小突变，比如空气中5~20Pa左右的微小变化。由于高空中存在风，风压会影响气压的测量精度，导致测量结果产生误差，如何解决风压干扰问题，有效提高测量精度变得极为重要。常规的气压测量是通过放飞探空气球实现的，这种方法虽然简单便捷，易于实现，但由于风的因素，测量的前后两点之间可能相距很远，气压值的变化很大，可能无法判断出是否发生了微压突变。同时，测量的点都是随风的方向而变化，不能测量固定点的气压值。而且，这种方法需要多次放飞探空气球，耗时长，前后两次的时间间隔较长，也无法实时监测气压值的突变。因此，采用新的测量方法，实现微压突变测量的实时性、高效性，也是一个刻不容缓的问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法，该微压突变测量装置采用四轴飞行器和基于静压头的气压测量装置相结合的方式，极大的提高了气压测量抗风压干扰的能力；通过四轴飞行器的无线通信模块、飞控模块和GPS模块、对四轴飞行器进行编队飞行，实现对微压突变的实时监测。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于，包括：静压头、气压测量装置、四轴飞行器、飞行控制模块、GPS定位模块、无线通信模块和数据处理中心；所述静压头将来自各个方位的风压抵消，使得气压通过导管进入气压测量装置，所述气压测量装置将测量的数据传输至四轴飞行器，所述四轴飞行器通过无线通信模块将接收到的数据实时传输给地面的数据处理中心，所述飞行控制模块用于控制四轴飞行器，所述GPS定位模块用于定位四轴飞行器。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：所述气压测量装置包括电源模块、传感器模块、信号处理模块和信号转换模块，所述电源模块分为基准电压源、模拟电源和数字电源，所述基准电压源为传感器模块供电，所述模拟电源为信号处理模块供电，所述数字电源为信号转换模块供电；所述传感器模块是由巨压阻结构组成的巨压阻压力传感器，所述信号处理模块包括电压放大电路和低通滤波电路，所述信号转换模块包括AD模数转换器和单片机一；所述巨压阻压力传感器将采集到的电信号通过电压放大电路和低通滤波电路处理后，传输给AD模数转换器，所述AD模数转换器将信号转换后输出至单片机一，再由单片机一发送至四轴飞行器中设置的单片机二，所述单片机二再通过无线通信模块将接收到的数据实时传输给地面的数据处理中心。所述AD模数转换器采用A/D7195，单片机一和单片机二均采用STM32F407，无线通信模块采用ESP8266WIFI。所述巨压阻压力传感器包括自下而上依次叠放的玻璃基底层、硅底层和二氧化硅绝缘层，所述二氧化硅绝缘层的表面中心放置有应力薄膜，二氧化硅绝缘层的表面四周放置有四个钛硅镓异质结巨压阻结构，所述钛硅镓异质结巨压阻结构两两对称地放置在应力薄膜上。所述钛硅镓异质结巨压阻结构包括自内而外依次嵌套的内层镓结构区、中间层硅结构区和外层钛结构区，所述钛结构区和硅结构区的交界处形成钛硅异质结，硅结构区和镓结构区的交界处形成镓硅异质结；所述镓结构区的两端设置有金属边，所述金属边通过引线连接至金属片，所述金属片通过电极连接至铝端子，将四个钛硅镓异质结巨压阻结构连接成为惠斯通电桥电路。此外，还提出了一种采用上述基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将静压头与气压测量装置的组合固定在四轴飞行器上，单片机一得到的气压数据值传输给四轴飞行器上的单片机二，再由四轴飞行器上的无线通信模块传输回地面的控制中心；步骤2，将所要测量的微压突变区域在水平面上划分为5*5的25个正方形区域，并进行区域编号1,2，…，25；在垂直方向上，将区域分为10个等距间隔的高度层，并进行编号1,2,3，…,10；这样将要测量的区域空间分为250个子区域，每个子区域用（M，N）表示，M表示子区域在水平面上的编号，N表示子区域在垂直方向上的编号；步骤3，对每个子区域进行气压测量，首先在区域（1，1）的右上角释放四轴飞行器一，并在其对角线位置释放四轴飞行器二；步骤4，四轴飞行器一和四轴飞行器二同时按逆时针方向沿区域边线飞行，在每条边线的起点、中点、终点进行一次气压测量；每次测量完成后，将四轴飞行器调整为悬停模式，悬停时间为1分钟，再次进行一次气压值测量，与1分钟前的值相比，是否有微小变化；步骤5，当四轴飞行器一和四轴飞行器二飞到对方起点时，调整飞行方向，沿对角线方向飞行至对角线第一个六等分点，重复步骤4；步骤6，将步骤5中的飞行方向改为对角线第二个六等分点，重复步骤5，这样就完成了对一个子区域内24个样本点的测量；依此类推，测量完第1个高度层的其余24个子区域；步骤7，完成对水平面所有子区域的测量后，控制四轴飞行器飞到（M，2）平面，重复步骤3、4、5、6，完成对（M，2）平面的测量；依此类推，完成对10个高度层的全部测量。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术将静压头与气压测量装置相结合，相比与传统的测量方式，消除了大气中风压对测量数据的影响，提高测量的精确度；2.本专利技术采用的钛硅镓异质结巨压阻结构使得该压力传感器的压阻系数与应变系数均数量级地增加，极大地提高了测量装置的灵敏度和准确性，可以实现对微小的气压变化的探测；3.本专利技术以四轴飞行器为载体，通过气压测量装置、无线通信模块、飞行控制模块、GPS定位模块，实现了对区域内指定地点气压值微小突变的实时监测；4.本专利技术采用两架四轴飞行器进行联合测量，提高微压突变区域测量效率；5.本专利技术采用水平方向和垂直方向的区域划分方法，对每个子区域进行同时测量，提高了气压测量的效率；借助四轴飞行器的飞行控制模块，实现对每个子区域多个采样点的测量，并通过无线通信模块，将采集的数据快速准确地反映给地面控制中心，并通过GPS定位模块，实现气压数据的全局汇总，绘制出更加清晰直观的气压图，帮助气象工作人员更好的分析气压走势情况。附图说明图1本专利技术的整体结构示意图。图2本专利技术的气压测量装置结构图。图3本专利技术的气压测量装置的模块框图。图4本专利技术的钛硅镓异质结巨压阻结构示意图。图5本专利技术的钛硅镓异质结巨压阻结构侧视图。图6本专利技术的巨压阻压力传感器的内部结构俯视图。图7本专利技术的巨压阻压力传感器的侧面剖面图。图8本专利技术的A/D转换电路图。图9本专利技术的水平面上的区域编号示意图。图10本专利技术的所需测量空间划分的示意图。图11本专利技术的四轴飞行器的飞行路径示意图。附图标记如下：1-钛结构区，2-硅结构区，3-镓结构区，4-金属边，5-引线，6-金属片，7-电极，8-铝端子，9-巨压阻压力传感器，10-玻璃基底层，11-硅底层，12-二氧化硅绝缘层，13-钛硅异质结，14-镓硅异质结，15-应力薄膜。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。如图1所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于，包括：静压头、气压测量装置、四轴飞行器、飞行控制模块、GPS定位模块、无线通信模块和数据处理中心；所述静压头将来自各个方位的风压抵消，使得气压通过导管进入气压测量装置，所述气压测量装置将测量的数据传输至四轴飞行器，所述四轴飞行器通过无线通信模块将接收到的数据实时传输给地面的数据处理中心，所述飞行控制模块用于控制四轴飞行器，所述GPS定位模块用于定位四轴飞行器。

【技术特征摘要】
1.一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于，包括：静压头、气压测量装置、四轴飞行器、飞行控制模块、GPS定位模块、无线通信模块和数据处理中心；所述静压头将来自各个方位的风压抵消，使得气压通过导管进入气压测量装置，所述气压测量装置将测量的数据传输至四轴飞行器，所述四轴飞行器通过无线通信模块将接收到的数据实时传输给地面的数据处理中心，所述飞行控制模块用于控制四轴飞行器，所述GPS定位模块用于定位四轴飞行器。2.如权利要求1所述的一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于：所述气压测量装置包括电源模块、传感器模块、信号处理模块和信号转换模块，所述电源模块分为基准电压源、模拟电源和数字电源，所述基准电压源为传感器模块供电，所述模拟电源为信号处理模块供电，所述数字电源为信号转换模块供电；所述传感器模块是由巨压阻结构组成的巨压阻压力传感器，所述信号处理模块包括电压放大电路和低通滤波电路，所述信号转换模块包括AD模数转换器和单片机一；所述巨压阻压力传感器将采集到的电信号通过电压放大电路和低通滤波电路处理后，传输给AD模数转换器，所述AD模数转换器将信号转换后输出至单片机一，再由单片机一发送至四轴飞行器中设置的单片机二，所述单片机二再通过无线通信模块将接收到的数据实时传输给地面的数据处理中心。3.如权利要求2所述的一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于：所述AD模数转换器采用A/D7195，单片机一和单片机二均采用STM32F407，无线通信模块采用ESP8266WIFI。4.如权利要求2所述的一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于：所述巨压阻压力传感器（9）包括自下而上依次叠放的玻璃基底层（10）、硅底层（11）和二氧化硅绝缘层（12），所述二氧化硅绝缘层（12）的表面中心放置有应力薄膜（15），二氧化硅绝缘层（12）的表面四周放置有四个钛硅镓异质结巨压阻结构，所述钛硅镓异质结巨压阻结构两两对称地放置在应力薄膜（15）上。5.如权利要求4所述的一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于：所述钛硅镓异质结巨压...

【专利技术属性】
技术研发人员：张加宏，杨天民，钱志雅，顾颖，张燕，周莹，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32