一种高空平板式气象参数测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高空平板式气象参数测量系统及测量方法，包括电路板及设置于电路板上的风速风向检测模块、环境温度检测模块、气压检测模块、电路控温模块和主控单元；风速风向检测模块包括电阻温度传感器、第一加热装置和电阻‑温度转换器，电阻温度传感器包括围绕第一加热装置圆周状布设的若干热电阻；电路控温模块包括电路温度传感器和第二加热装置；主控单元根据电路温度传感器检测到的电路温度，控制第二加热装置将电路温度控制在安全工作温度，并根据环境温度检测模块获得的环境温度值、气压检测模块获得的气压值和若干热电阻的温度值，计算风速和风向。本申请提供的系统体积小，可在低温、低压环境下稳定、可靠地一体化测量气象参数。

A meteorological parameter measurement system and method of high altitude flat plate

【技术实现步骤摘要】
一种高空平板式气象参数测量系统及测量方法
本专利技术涉及航空、航天环境测量和地面试验
，具体涉及一种高空平板式气象参数测量系统及测量方法。
技术介绍
在火星车地面热试验、火星环境探测、平流层环境探测中，低气压环境下微小风速的测量一直是难题之一。目前常见风速传感器依据原理可分为热式、超声波式、皮托管式、机械式、激光粒子等测速方式，其中机械式、皮托管式主要用于高速测量，用于低风速测量其测量精度较低；超声波式需要针对低气压下的换能器效率进行优化，需引入新的算法以提升测量精度，且对软件、硬件修改难度较大；激光粒子测速仪体积较大，不适用于飞艇载荷、试验多点测试等任务；热式风速仪通过对流换热的原理对风速进行测量，一般在1000Pa以上时其尚具有可接收的风速分辨力，是可以用于低气压、低温环境的风速测量手段之一。热式风速仪通过对敏感头加热，测量对流换热特性的差异从而可对风速进行精确测量。目前工业用热式风速仪外形主要包括热球、热线、热膜三种，从驱动方式来区分，其可以分为恒电压驱动、恒温度驱动等。目前在高空环境探测、地面试验测量中，工业热式风速仪尚存在一些问题：一是通常不具有气压、温度测量能力，往往需要与其它仪器配合进行测量；二是结构较为脆弱，往往无法满足长时间恶劣环境探测的需求；三是一般未考虑低温测量需求，电路无法用于低温、低压环境。
技术实现思路
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种高空平板式气象参数测量系统及测量方法，目的为解决现有技术不能在低压低温环境条件下一体化测量气象参数的问题。本申请第一方面提供了一种高空平板式气象参数测量系统，包括：电路板以及设置于电路板上的风速风向检测模块、环境温度检测模块、气压检测模块、电路控温模块和主控单元；所述风速风向检测模块包括电阻温度传感器、第一加热装置和电阻-温度转换器，所述电阻温度传感器包括围绕所述第一加热装置圆周状布设的若干热电阻，所述电阻-温度转换器用于将所述热电阻的电阻值转换为温度值；所述电路控温模块包括电路温度传感器和第二加热装置；所述主控单元用于根据所述电路温度传感器检测到的电路温度，控制第二加热装置将所述电路温度控制在安全工作温度；并根据所述环境温度检测模块获得的环境温度值、气压检测模块获得的气压值和所述若干热电阻的温度值，计算风速和风向。进一步地，所述电路板迎风面设置有镀膜基底，镀膜基底上以镀膜的方式设置有所述若干热电阻。进一步地，所述第一加热装置为镀膜加热丝，设置于所述镀膜基底上。进一步地，所述电路温度传感器设置在所述电路板的迎风面，所述第二加热装置设置在所述电路板的背风面，所述第二加热装置为薄膜电加热器。进一步地，所述环境温度检测模块包括环境温度传感器，所述环境温度传感器设置在所述镀膜基底的边缘处。进一步地，所述气压检测模块包括气压传感器，所述气压传感器设置在所述电路板的迎风面。进一步地，所述电路温度传感器和所述环境温度传感器均为热电阻，所述热电阻为铂热电阻。本申请第二方面提供了一种利用第一方面任意一种的高空平板式气象参数测量系统进行气象参数测量的方法，包括：主控单元通过电路温度传感器获取电路温度，并控制第二加热装置对其进行控温；主控单元通过电阻-温度转换器获取所述若干热电阻的温度值，通过若干热电阻之间的温度差异值计算当前风向；主控单元通过环境温度检测模块检测获取环境的温度，并通过气压检测模块检测获取环境的气压；主控单元根据预先存储的对照表获取当前风速，所述对照表存储有不同环境温度值和气压值组合下对应的风速值和若干热电阻的温度值。进一步地，预先存储的对照表，其具体标定步骤包括：确定环境温度的测量范围，确定气压的测量范围，确定风速的测量上限；根据测量精度需求，分别拟定多个环境温度标定点、多个气压标定点和多个风向标定点；针对每组环境温度值和气压值的组合，分别记录风速由初始到达测量上限时若干热电阻的温度；形成测量数据的对照表，存储于主控单元内。进一步地，主控单元根据预先存储的对照表获取当前风速，具体包括：主控单元根据当前环境温度和当前气压的响应矩阵，通过插值法计算当前风速；响应矩阵为在对照表中选取距当前环境温度最接近的温度值进行第一次线性插值和在对照表中选取距当前气压最接近的气压值进行第二次线性插值，并通过第一次线性插值和第二次线性插值计算所得。本申请提供的高空平板式气象参数测量系统及测量方法，与现有技术相比，该系统包括电路板以及设置于电路板上的风速风向检测模块、环境温度检测模块、气压检测模块、电路控温模块和主控单元，系统结构相对集成呈平板式，且体积小、抗力学环境强，该一体化系统具有可在低气压、低温度环境稳定、可靠地对温度、压力、风速和风向进行测量的能力，可满足长时间恶劣环境探测需求，为深空探测器地面试验、环境探测和平流层飞行器控制等提供有效支撑；此外，该系统经测试可适用于1000Pa到常压、-100℃到20℃环境下的探测。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术实施例提供的高空平板式气象参数测量系统的迎风面示意图；图2为本专利技术实施例提供的高空平板式气象参数测量系统的背风面示意图；图3为本专利技术实施例提供的高空平板式气象参数测量系统的电路原理示意图；图4为本专利技术实施例提供的高空平板式气象参数测量系统的安装机械接口示意图；图5为本专利技术实施例提供的高空平板式气象参数测量系统的应用场景图；图6为本专利技术实施例提供的高空平板式气象参数测量系统的测量方法流程图；附图标记：101电路板、102电路板安装孔、103镀膜基底、104若干个热电阻、105热电阻导线、106镀膜加热丝导线、107环境温度传感器、108电连接器、109第二加热装置、110主控单元、111第一加热装置、112镀膜加热丝导线、113电路控温模块、114环境温度传感器、115气压检测模块、120风速风向检测模块、121气压传感器、122环境温度检测模块、201铂电阻测量电路、202导线、203总线接口、204加热线路、205电子开关、206控制线路、207控制单元、208连接总线、209稳压电源模块、210精密电压源供电线路、211精密电压源、212导线、301安装孔、302该气象参数测量系统嵌入孔、401待安装表面、402安装螺栓。具体实施方式下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关专利技术，而非对该专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与专利技术相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。目前火星车地面热试验、火星环境探测和平流层环境探测中采用热式风速仪通过对敏感头加热，并测量对流换热特性的差异从而可对风速进行精确测量。当前工业用热式风速仪常用的形式包括Dantec公司、Kanomax公司的热线风速仪，通过电桥进行热线恒温控制，对电桥电压进行精确测量即可表征当前的风速；北京远大仪表等公司的热球式风速仪，通过恒压电路对球内电热丝进行加热，通过热电偶测量热球与来流气体之间的温差对风速进行测量；还有在非金属材质表面镀膜(一般为镍)的热膜风速传感器，其测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高空平板式气象参数测量系统，其特征在于，包括：电路板以及设置于电路板上的风速风向检测模块、环境温度检测模块、气压检测模块、电路控温模块和主控单元；所述风速风向检测模块包括电阻温度传感器、第一加热装置和电阻‑温度转换器，所述电阻温度传感器包括围绕所述第一加热装置圆周状布设的若干热电阻，所述电阻‑温度转换器用于将所述热电阻的电阻值转换为温度值；所述电路控温模块包括电路温度传感器和第二加热装置；所述主控单元用于根据所述电路温度传感器检测到的电路温度，控制第二加热装置将所述电路温度控制在安全工作温度；并根据所述环境温度检测模块获得的环境温度值、气压检测模块获得的气压值和所述若干热电阻的温度值，计算风速和风向。

【技术特征摘要】
1.一种高空平板式气象参数测量系统，其特征在于，包括：电路板以及设置于电路板上的风速风向检测模块、环境温度检测模块、气压检测模块、电路控温模块和主控单元；所述风速风向检测模块包括电阻温度传感器、第一加热装置和电阻-温度转换器，所述电阻温度传感器包括围绕所述第一加热装置圆周状布设的若干热电阻，所述电阻-温度转换器用于将所述热电阻的电阻值转换为温度值；所述电路控温模块包括电路温度传感器和第二加热装置；所述主控单元用于根据所述电路温度传感器检测到的电路温度，控制第二加热装置将所述电路温度控制在安全工作温度；并根据所述环境温度检测模块获得的环境温度值、气压检测模块获得的气压值和所述若干热电阻的温度值，计算风速和风向。2.根据权利要求1所述的高空平板式气象参数测量系统，其特征在于，所述电路板迎风面设置有镀膜基底，镀膜基底上以镀膜的方式设置有所述若干热电阻。3.根据权利要求2所述的高空平板式气象参数测量系统，其特征在于，所述第一加热装置为镀膜加热丝，设置于所述镀膜基底上。4.根据权利要求1所述的高空平板式气象参数测量系统，其特征在于，所述电路温度传感器设置在所述电路板的迎风面，所述第二加热装置设置在所述电路板的背风面，所述第二加热装置为薄膜电加热器。5.根据权利要求2所述的高空平板式气象参数测量系统，其特征在于，所述环境温度检测模块包括环境温度传感器，所述环境温度传感器设置在所述镀膜基底的边缘处。6.根据权利要求1所述的高空平板式气象参数测量系统，其特征在于，所述气压检测模块包括气压传感器，所述气压传感器设置在所述电路板的迎风面。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李西园，赵志纲，高庆华，刘春，侯雅琴，徐欣成，王晶，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11