一种适用于探空仪的温度气压与湿度测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种适用于探空仪的温度气压与湿度测量装置及方法，该装置包括主控制器、恒流测量模块、交流测量模块以及交流PWM测量模块。本测量装置与低阻型热电阻大气温度传感器、压阻电桥型绝对气压传感器、高阻型露霜点温度传感器以及湿敏电容型湿度传感器能很好地配合使用。本发明专利技术利用通过相同参考电流流过被测电阻与参考电阻，其压降比与参考电流无关的关系；或参考电压直接作用于测量电阻网络，其分压比与参考电压无关的关系，来获得能够消除参考电流或电压漂移造成的测量误差的性能，通过测量得到被测电阻与参考电阻或电阻网络的分压系数，计算出被测电阻阻值，进一步可计算出大气温度、气压以及露霜点温度测量值。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于探空仪的温度气压与湿度测量装置及方法
本专利技术涉及电子信息
，尤其涉及一种适用于探空仪的温度气压与湿度测量装置及方法。
技术介绍
探空仪的工作环境与工作条件与地面测量有很大的差异。对于气球携带升空的上升式探空仪，或由火箭、飞机等方法升至一定高空的下降式探空仪，由于其存在一定的上升或下降速度，要求测量的响应时间足够快；同时在高空中的气温、气压和湿度差异很大，要求测量的动态范围足够大，还要求测量仪器本身的工作环境条件适应性足够宽；并且，由于空中不可避免地受到太阳等不同波长地光与微波辐射，要求探空仪测量参数被影响的程度足够小。对于响应时间，目前采用的技术是减少传感器尺寸，令其尽快感测到所测参数的量值。对于动态范围，在气温和气压上，已经改进传感器的结构，改善传感器的测量范围和分辨率。在湿度上，则由于传统的、性能较好的湿敏电容在分辨率和精度方面的局限，需要以露点或霜点测量的物理方法才能适应动态范围、分辨率和精度的要求。但后者由于成本相对较高，还不能在常规气象探空业务中推广使用，因此湿度测量中者两种方法在不同的需求中选择使用。对于仪器本身的工作环境适应性，目前主要问题是温度的变化范围过大，特别是低温的情况极为严重，超过大多数元器件的工作温度范围，导致仪器难以正常工作。而解决的方法普遍是采用足够厚的泡沫材料来隔绝仪器与大气的直接热传递，在测量的2小时左右，仪器的温度变化不至于超出工作范围。正因为如此，除气压传感器通过导管与外部空气联通外，湿度和温度传感器仍然要求被暴露于空气中，以获得最佳的感应效果，即响应时间和感受到的大气真实量值。对于辐射影响，目前采用的方法是涂覆一些对测量参量的传感影响不大而又能反射辐射的特殊材料。这样，对于温度传感器，其形状由原来的长条形变为了现在株状或细丝状，同样的温度测量范围，其阻值及变化范围大为减少，原来的测量电路很难完全发挥改良温度传感器的优良性能，实际效果改善达不到预料的程度。对于湿度，采用湿敏电容测量的方式中，由于其结构特点，为了保证在测量中其性能不会变差，需要使用交流测量技术，而常规的测量方法很难消除施加于传感器上的直流分量。如果采用霜露点测量技术，则需要准确的测量用于形成结露或结霜的镜面的当时温度值，即露点或霜点温度。为了尽可能减少传感器连接线路和交流激励测量技术，以提高测量精度。目前的测量电路为了简化结构，未使用交流激励测量技术。因此，研究一种适用于气象探空仪的温度气压与湿度测量装置十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种适用于探空仪的温度气压与湿度测量装置，以达到对温度、气压、湿度传感器测量结果的准确量化和数值表示。本专利技术采用如下技术方案：一种适用于气象探空仪的温度气压与湿度测量装置，包括主控制器、恒流测量模块、交流测量模块以及交流PWM测量模块，其中，主控制器，片内具有I2C总线的硬件接口，具有捕捉功能的定时计数器以及UART串行接口，I2C总线用于和恒流测量模块与交流测量模块通信，定时计数器用于激励和测量交流PWM测量模块；UART串行接口设置为快速和慢速两种工作方式，快速UART用于地面测试与标定，慢速UART用于探空中的数据到发射机的数据传输，所有的测量与控制操作均由主控制器实现，并通过发射机与地面计算机连接；恒流测量模块，具有电流源激励和可编程仪表放大器，电流激励连接气压传感器和大气温度传感器，与高精度参考电阻连接形成模数变换的参考电压，消除测量中可能产生的恒流波动与漂移造成的测量误差，可编程仪表放大器设置合适的增益(2n倍,n＝0,1,2,…,7,使参考电压高于1倍、但不高于2倍信号电压)，保证模数变换部件工作于最佳电压范围；交流测量模块，具有交流激励和可编程仪表放大器，与电压激励的冷凝式露霜点仪的镜面高精度铂电阻温度传感器和半导体制冷器中的散热块上的铂电阻温度传感器连接，交流参考电压用作测量电桥的激励电压和ADC的参考电压，可编程仪表放大器设置合适的增益(2n倍,n＝0,1,2,…,7,使参考电压高于1倍、但不高于2倍信号电压)，保证模数变换部件工作于最佳电压范围；交流PWM测量模块，将主控制器发送的测量时间脉冲与极性交替变化的方向信号由一个脉冲处理电路处理后，对连接的湿敏电容进行极性交替的充放电，充电时间形成脉冲宽度，并由主控制器的定时计数单元进行高精度脉冲宽度测量。进一步的技术方案是，所述的恒流测量模块外部连接的气压传感器阻值在1至5千欧，大气温度传感器阻值在30至60欧姆，高精度参考电阻阻值为1.25千欧。进一步的技术方案是，所述的交流测量模块中连接的冷凝式露霜点仪的镜面高精度铂电阻温度传感器在0摄氏度时的阻值为1千欧。进一步的技术方案是，冷凝式露霜点仪的镜面高精度铂电阻温度传感器和半导体制冷器中的散热块上的铂电阻温度传感器外接场效应管，形成“H桥”开关电路。进一步的技术方案是，气压传感器与大气温度传感器两端正向均并联一个肖特基二极管。进一步的技术方案是，大气温度传感器采用4线连接方式；冷凝式露霜点仪的镜面高精度铂电阻温度传感器采用3线连接方式。进一步的技术方案是，大气温度传感器采用20um测温钨丝反复绕制而成。一种对权利要求1所述的适用于气象探空仪的温度气压与湿度测量方法，其特征在于，包括步骤1.气压传感器、大气温度传感器、铂电阻温度传感器、湿敏电容均通过二值或多值化的检定装置处理，获得传感器的特性曲线；步骤2.将气压传感器、大气温度传感器、铂电阻温度传感器、湿敏电容通过线路连接至恒流测量模块、交流测量模块、交流PWM测量模块，并将各模块连接至主控制器；步骤3.使用探空仪将测量装置送至待测位置；步骤4.测量装置获得测量参数计算得到测量结果并发送至地面或者将测量参数发送至地面计算机，由地面计算机通过浮点计算出测量结果。进一步的技术方案是，标定时，恒流测量模块设定输出为1mA，可编程仪表放大器放大倍数设定为16，高精度参考电阻阻值为1.25千欧，ADC为双极性偏移二进制码。进一步的技术方案是，标定时，交流测量模块的可编程仪表放大器放大倍数设定为16，ADC为双极性偏移二进制码。本专利技术的有益效果：1).通过小电流流过气压传感器、大气温度传感器(小阻值)和参考电阻(高精度)，使其上形成的电压比例不受电流精度的影响，分别由高精度可编程仪表放大器放大到同量级电压后，进行模数变换和数字处理，能准确还原出实际的大气温度和气压。2).通过使用交流激励，使较高阻值的测温电阻及其连接电路的极化效应和热电偶效应得到消除，通过使用一致的测量电桥激励电压与ADC参考电压，消除了参考电压可能出现的波动与漂移的影响，由高精度可编程仪表放大器放大后，进行模数变换和数字处理，能准确还原被测物体的温度。3)通过交流脉冲激励，消除了湿敏电容受到的直流电场极化而降低性能的影响，通过高精度脉冲宽度测量，能准确计算出大气相对湿度值。4).对于传感器可能存在的一致性差异，本装置使用前通过一个二值或多值的检定装置，可获得传感器的特性曲线，以便计算出真实被测量值。附图说明图1是本专利技术提供的适用于气象探空仪的温度气压与湿度测量装置的原理方块图；图2是本专利技术提供的大气温度气压测量模块原理方块图；图3是本专利技术实施例提供的镜面温度测量模块原理方块图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于气象探空仪的温度气压与湿度测量装置，其特征在于，包括主控制器、恒流测量模块、交流测量模块以及交流PWM测量模块，其中，主控制器，片内具有I2C总线的硬件接口，具有捕捉功能的定时计数器以及UART串行接口，I2C总线用于和恒流测量模块与交流测量模块通信，定时计数器用于激励和测量交流PWM测量模块；UART串行接口设置为快速和慢速两种工作方式，快速UART用于地面测试与标定，慢速UART用于探空中的数据到发射机的数据传输，所有的测量与控制操作均由主控制器实现，并通过发射机与地面计算机连接；恒流测量模块，具有电流源激励和可编程仪表放大器，电流激励连接气压传感器和大气温度传感器，与高精度参考电阻连接形成模数变换的参考电压，消除测量中可能产生的恒流波动与漂移造成的测量误差，可编程仪表放大器设置合适的增益，保证模数变换部件工作于最佳电压范围；交流测量模块，具有交流激励和可编程仪表放大器，与电压激励的冷凝式露霜点仪的镜面高精度铂电阻温度传感器和半导体制冷器中的散热块上的铂电阻温度传感器连接，交流参考电压用作测量电桥的激励电压和ADC的参考电压，可编程仪表放大器设置合适的增益，保证模数变换部件工作于最佳电压范围；交流PWM测量模块，将主控制器发送的测量时间脉冲与极性交替变化的方向信号由一个脉冲处理电路处理后，对连接的湿敏电容进行极性交替的充放电，充电时间形成脉冲宽度，并由主控制器的定时计数单元进行高精度脉冲宽度测量。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于气象探空仪的温度气压与湿度测量装置，其特征在于，包括主控制器、恒流测量模块、交流测量模块以及交流PWM测量模块，其中，主控制器，片内具有I2C总线的硬件接口，具有捕捉功能的定时计数器以及UART串行接口，I2C总线用于和恒流测量模块与交流测量模块通信，定时计数器用于激励和测量交流PWM测量模块；UART串行接口设置为快速和慢速两种工作方式，快速UART用于地面测试与标定，慢速UART用于探空中的数据到发射机的数据传输，所有的测量与控制操作均由主控制器实现，并通过发射机与地面计算机连接；恒流测量模块，具有电流源激励和可编程仪表放大器，电流激励连接气压传感器和大气温度传感器，与高精度参考电阻连接形成模数变换的参考电压，消除测量中可能产生的恒流波动与漂移造成的测量误差，可编程仪表放大器设置合适的增益，保证模数变换部件工作于最佳电压范围；交流测量模块，具有交流激励和可编程仪表放大器，与电压激励的冷凝式露霜点仪的镜面高精度铂电阻温度传感器和半导体制冷器中的散热块上的铂电阻温度传感器连接，交流参考电压用作测量电桥的激励电压和ADC的参考电压，可编程仪表放大器设置合适的增益，保证模数变换部件工作于最佳电压范围；交流PWM测量模块，将主控制器发送的测量时间脉冲与极性交替变化的方向信号由一个脉冲处理电路处理后，对连接的湿敏电容进行极性交替的充放电，充电时间形成脉冲宽度，并由主控制器的定时计数单元进行高精度脉冲宽度测量。2.根据权利要求1所述的一种适用于气象探空仪的温度气压与湿度测量装置，其特征在于，所述的恒流测量模块外部连接的气压传感器阻值在1至5千欧，大气温度传感器阻值在30至60欧姆，高精度参考电阻阻值为1.25千欧。3.根据权利要求1所述的一种适用于气象探空仪的温度气压与湿度测量装置，其特征在于，所述的交流测量模块中连接的冷凝式露霜点仪的镜面高精度铂电阻温度传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚振东，郑小彪，李建，郑向东，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：四川,51