本實(shí)用新型涉及一種探空儀系統(tǒng)，尤其是一種MEMS電場探空儀系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
地球表面的大氣中存在著由空間電荷形成的大氣電場，電場是研究空間天氣學(xué)和空間環(huán)境一個很重要的參量，它的數(shù)值大小及其變化涉及到太陽活動、雷暴活動、地震活動及大氣環(huán)境污染等。監(jiān)測電場、了解空間電狀態(tài)，提高對雷暴、地震等災(zāi)害的預(yù)報能力，為航天活動提供空間電環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)。為確保航天器在升空過程中不受雷擊或誘發(fā)閃擊，最有效的方法就是直接探測發(fā)射場區(qū)上空的雷雨云電荷產(chǎn)生的電場。在航天器升空前，對于航空航天領(lǐng)域較為關(guān)心的雷雨云中的電場強(qiáng)度，可以使用球載空中電場探測系統(tǒng)直接測量云層中的帶電情況，分析雷擊或誘發(fā)閃擊的可能性，為相關(guān)部門的決策提供科學(xué)依據(jù)必需測量空中電場，以確保發(fā)射安全。
目前市場上探空儀主要存在以下幾個方面的問題：
(1)空中電場儀探測到的空中電場數(shù)據(jù)與理論和實(shí)際情況不相符，數(shù)據(jù)可信度太差，無法作為判斷雷電產(chǎn)生的依據(jù)；
(2)采用傳統(tǒng)“場磨式”原理設(shè)計(jì)制造的電場探空儀，受結(jié)構(gòu)限制，在高空低溫環(huán)境下，易造成設(shè)備表面結(jié)冰和結(jié)露，從而造成短路，使設(shè)備失效；
(3)沒有可以同時探測空中溫度、濕度、氣壓和電場的探空儀系統(tǒng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的探空儀系統(tǒng)監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)不全面且采集數(shù)據(jù)的可靠性差。
為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種MEMS電場探空儀系統(tǒng)，包括溫度傳感單元、氣壓傳感器、濕度傳感單元、AD采集器、電場傳感器、微處理器以及無線通信模塊；溫度傳感單元的信號輸出端以及氣壓傳感器的信號輸出端分別連接在AD采集器的兩路信號采集端口上；AD采集器的輸出端以及電場傳感器的輸出端分別連接在微處理器的兩個輸入端口上；濕度傳感單元的信號輸出端與微處理器的另一輸入端相連；微處理器的通信端與無線通信模塊相連；在電場傳感器的外部設(shè)有保溫泡沫層，在保溫泡沫層的外部設(shè)有防靜電外殼。
采用溫度傳感單元、氣壓傳感器、濕度傳感單元以及電場傳感器分別對環(huán)境中的溫度、濕度、氣壓和電場進(jìn)行監(jiān)測，并通過無線通信模塊傳輸回地面，實(shí)現(xiàn)空中氣象參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測；采用保溫泡沫層能夠防止在高空低溫環(huán)境下造成電場傳感器表面結(jié)冰和結(jié)露，避免造成短路，增強(qiáng)電場傳感器的可靠性；采用防靜電外殼能夠?qū)o電進(jìn)行屏蔽，有效增強(qiáng)電場傳感器的可靠性。
作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步限定方案，濕度傳感單元包括電容C1、電容C2、濕敏電容CH、諧振電阻R0以及多路選擇器K1；電容C1、電容C2以及濕敏電容CH的一端分別與多路選擇器K1的三路選擇輸入端相連；電容C1、電容C2以及濕敏電容CH的另一端均與諧振電阻R0的一端相連；諧振電阻R0的另一端分別與多路選擇器K1的輸出端以及微處理器的輸入端相連；微處理器的第一選擇信號輸出端與多路選擇器K1的控制信號輸入端相連。采用多路選擇器K1控制電容C1、電容C2以及濕敏電容CH分別與諧振電阻R0構(gòu)成諧振電路，由微處理器監(jiān)測諧振頻率，從而測量出濕敏電容CH電容值，在查表獲得對應(yīng)的濕度值，同時利用電容C1和電容C2的比較，能夠有效增強(qiáng)濕敏電容CH電容值的精度，確保濕敏電容CH監(jiān)測的濕度值精確可靠。
作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步限定方案，溫度傳感單元包括熱敏珠狀電阻RT、電阻R2、電阻R1、電阻R3以及多路選擇器K2；電阻R2和電阻R1的一端均接參考電壓；熱敏珠狀電阻RT的一端分別與電阻R2的另一端以及多路選擇器K2的一路選擇輸入端相連；電阻R3的一端分別與電阻R1的另一端以及多路選擇器K2的另一路選擇輸入端相連；熱敏珠狀電阻RT的另一端接地；電阻R3的另一端接地；多路選擇器K2的輸出端連接在AD采集器的一路信號采集端口上；微處理器的第二選擇信號輸出端與多路選擇器K2的控制信號輸入端相連。采用多路選擇器K2控制接入熱敏珠狀電阻RT與電阻R2構(gòu)成的分壓電路，獲得電阻值對應(yīng)的溫度值實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測，同時利用電阻R1和電阻R3構(gòu)成的分壓電路在同環(huán)境下進(jìn)行比較，從而增強(qiáng)熱敏珠狀電阻RT的精度和可靠性。
作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步限定方案，熱敏珠狀電阻RT的表面設(shè)有真空鍍鋁涂層。采用真空鍍鋁涂層能夠?qū)t外長波可以忽略不計(jì)，而對于短波反射率也超過90％。
作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步限定方案，電場傳感器諧振式微型電場傳感器。采用諧振式微型電場傳感器能夠在高空低溫環(huán)境下具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。
作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步限定方案，氣壓傳感器和AD采集器均設(shè)置于金屬屏蔽盒內(nèi)。采用金屬屏蔽盒能夠有效增強(qiáng)氣壓傳感器的測量精度以及AD采集器的轉(zhuǎn)換精度，確?？煽窟\(yùn)行。
本實(shí)用新型的有益效果在于：(1)采用溫度傳感單元、氣壓傳感器、濕度傳感單元以及電場傳感器分別對環(huán)境中的溫度、濕度、氣壓和電場進(jìn)行監(jiān)測，并通過無線通信模塊傳輸回地面，實(shí)現(xiàn)空中氣象參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測；(2)采用保溫泡沫層能夠防止在高空低溫環(huán)境下造成電場傳感器表面結(jié)冰和結(jié)露，避免造成短路，增強(qiáng)電場傳感器的可靠性；(3)采用防靜電外殼能夠?qū)o電進(jìn)行屏蔽，有效增強(qiáng)電場傳感器的可靠性。
附圖說明
圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型提供了一種MEMS電場探空儀系統(tǒng)包括：溫度傳感單元、氣壓傳感器、濕度傳感單元、AD采集器、電場傳感器、微處理器以及無線通信模塊。
其中，溫度傳感單元的信號輸出端以及氣壓傳感器的信號輸出端分別連接在AD采集器的兩路信號采集端口上；AD采集器的輸出端以及電場傳感器的輸出端分別連接在微處理器的兩個輸入端口上；濕度傳感單元的信號輸出端與微處理器的另一輸入端相連；微處理器的通信端與無線通信模塊相連；在電場傳感器的外部設(shè)有保溫泡沫層，在保溫泡沫層的外部設(shè)有防靜電外殼；在熱敏珠狀電阻RT的表面設(shè)有真空鍍鋁涂層；電場傳感器諧振式微型電場傳感器；氣壓傳感器和AD采集器均設(shè)置于金屬屏蔽盒內(nèi)。
濕度傳感單元包括電容C1、電容C2、濕敏電容CH、諧振電阻R0以及多路選擇器K1；電容C1、電容C2以及濕敏電容CH的一端分別與多路選擇器K1的三路選擇輸入端相連；電容C1、電容C2以及濕敏電容CH的另一端均與諧振電阻R0的一端相連；諧振電阻R0的另一端分別與多路選擇器K1的輸出端以及微處理器的輸入端相連；微處理器的第一選擇信號輸出端與多路選擇器K1的控制信號輸入端相連。
溫度傳感單元包括熱敏珠狀電阻RT、電阻R2、電阻R1、電阻R3以及多路選擇器K2；電阻R2和電阻R1的一端均接參考電壓；熱敏珠狀電阻RT的一端分別與電阻R2的另一端以及多路選擇器K2的一路選擇輸入端相連；電阻R3的一端分別與電阻R1的另一端以及多路選擇器K2的另一路選擇輸入端相連；熱敏珠狀電阻RT的另一端接地；電阻R3的另一端接地；多路選擇器K2的輸出端連接在AD采集器的一路信號采集端口上；微處理器的第二選擇信號輸出端與多路選擇器K2的控制信號輸入端相連。
本實(shí)用新型的MEMS電場探空儀系統(tǒng)是一次性使用的高空氣象儀器，它以探空氣球?yàn)檩d體，探空氣球?qū)㈦妶鎏娇諆x系統(tǒng)由地面帶到高空，在此過程中，與地面二次測風(fēng)雷達(dá)配合觀測地面到30km范圍內(nèi)不同高度的空中電場、大氣溫度、濕度、氣壓和風(fēng)速風(fēng)向等氣象參數(shù)，主要用于航空機(jī)場、航天發(fā)射場等重點(diǎn)雷暴防區(qū)，作為直接探測其上空雷暴發(fā)展趨勢和雷雨云電性結(jié)構(gòu)，MEMS電場探空儀系統(tǒng)需動態(tài)測量0～30Km高度內(nèi)的大氣溫度、濕度、氣壓、電場，各傳感器具有測量范圍大、測量精度高、時間常數(shù)小、性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)。
其中，溫度傳感單元采用熱敏電阻實(shí)現(xiàn)，采用體積小、響應(yīng)時間短的珠狀電阻RT，珠狀電阻RT表面涂層涂覆真空鍍鋁涂層。真空鍍鋁涂層對于紅外長波可以忽略不計(jì)，而對于短波反射率也超過90％。溫度測量電路設(shè)計(jì)成分壓電路，即熱敏電阻RT和一個5.1K的精密的電阻R2串聯(lián)。在這兩個電阻的兩端加上2.5伏的基準(zhǔn)電壓。熱敏電阻阻值隨溫度變化，分壓電路輸出電壓隨之發(fā)生變化，在經(jīng)過型號為HEF4052BT的多路選擇器K2后，再利用AD7705的AD采集器采樣得到電壓值，由變化的電壓值計(jì)算出溫度值。AD7705是AD公司新推出的16位Σ-ΔA/D變換器，可用于測量低頻模擬信號，這種器件帶有增益可編程放大器，可通過軟件編程來直接測量傳感器輸出的各種微小信號。
氣壓傳感器采用硅壓阻式氣壓傳感器PR等效為一電橋，測量時在電橋兩端加一定的電壓，然后測量電橋另兩端輸出的差分電壓。采用型號是AD7705的AD采集器進(jìn)行電壓測量，將硅壓阻傳感器PR與的AD采集器的模擬輸入端直接相連。硅壓阻式氣壓傳感器的輸出受環(huán)境溫度的影響較大，因此必須測量傳感器本身的溫度以修正不同溫度下的測量結(jié)果。由于探空儀中已經(jīng)有溫度測量電路，只需再引入一個類似的溫度傳感器加入到已有的電路中，采用和溫度傳感單元完全相同的電路就可以實(shí)現(xiàn)對氣壓傳感器本身溫度的測量。對于硅壓阻式氣壓傳感器溫度修正方法是軟件修正，即事先取得氣壓傳感器輸出電壓隨溫度的變化規(guī)律，然后在數(shù)據(jù)處理過程中隨溫度不同加入對電壓的修正值。軟件修正實(shí)際上還包含了對除傳感器外其他測量電路部分的溫度補(bǔ)償，因而能夠盡量減小由溫度引起的誤差。
濕度傳感器單元采用的是高分子薄膜式濕敏電容CH，輸出參數(shù)形式為電容值，通過頻率變換電路將電容值的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，用測量頻率的方法實(shí)現(xiàn)對傳感器電容值的測量。電容—頻率變換電路是由濕敏電容CH與一個100pF的電容C1和220pF的電容C2并聯(lián)，由型號為HEF4053BT的多路選擇器K1實(shí)現(xiàn)RC多諧振蕩器。為了修正頻率漂移對測量結(jié)果的影響，引入高、低兩個標(biāo)準(zhǔn)頻率，根據(jù)兩個標(biāo)準(zhǔn)頻率的漂移量，以線性內(nèi)插的方法，計(jì)算出相同變化條件下測量頻率的漂移量；頻率的測量由探空儀上的微控制器完成；只是濕度傳感器的電容值隨相對濕度大致呈線性變化，可將濕度傳感器直接接入變換電路中，無需添加額外的線性化電路。環(huán)境溫度對電路高分子薄膜式濕敏電容影響較大，為了修正溫度變化帶來的測量誤差，須準(zhǔn)確得到環(huán)境溫度，這已由上述溫度傳感單元測量得到。修正方法是軟件修正，即事先取得濕度傳感器頻率變換電路輸出頻率隨溫度的變化規(guī)律，然后在數(shù)據(jù)處理過程中隨溫度不同加入對頻率的修正值。
電場傳感單元以創(chuàng)新型的、基于MEMS技術(shù)的敏感芯片為核心元件，主要包括敏感芯片、封裝、前放電路、信號解調(diào)電路、感應(yīng)探頭電極、供電電池、保溫泡沫、防靜電外殼等及部分組成，與傳統(tǒng)的場磨式探空電場儀相比，具有成本低、功耗低、體積小、重量輕、易批量化制造、易集成化等優(yōu)點(diǎn)。電場傳感單元采用諧振式微電場敏感探頭，其結(jié)構(gòu)形式為梳齒結(jié)構(gòu)。具有梳齒結(jié)構(gòu)的激勵電極由錨點(diǎn)固定在襯底的一側(cè)，具有梳齒結(jié)構(gòu)的振動電極由錨點(diǎn)固定在襯底的另一側(cè)，屏蔽電極和電場感應(yīng)電極固定在激勵電極和振動敏感電極中間位置的襯底區(qū)域上，其中，屏蔽電極和電場感應(yīng)電極交錯排列，橫梁位于屏蔽電極的中部，支撐梁的一端由錨點(diǎn)固定在襯底上，另一端與激勵電極和振動敏感電極連接。電場傳感單元采用電荷感應(yīng)原理進(jìn)行電場檢測，在驅(qū)動電壓的作用下，激勵梳齒周期性地振動，帶動屏蔽電極在同一平面內(nèi)來回振動，從而周期性地屏蔽、暴露感應(yīng)電極，使感應(yīng)梳齒上產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)外電場的探測。該檢測原理取代了傳統(tǒng)的基于電機(jī)旋轉(zhuǎn)的場磨式電場儀，從而使傳感器體積、功耗減小，壽命與可靠性提高。
微處理器用來完成探空儀上的接收以及控制任務(wù)，通常需要外部功能較多的微處理器來完成工作，可以利用微處理器上未用到的功能、端口進(jìn)行頻率測量，接收各測量數(shù)據(jù)?？梢赃x用PIC16F726單片機(jī)作為微處理器，該芯片除了跳轉(zhuǎn)指令以外，所有指令都是單周期的，可編程代碼保護(hù)，閃存單元有高耐久性。為AD采集器、多路選擇器K1和多路選擇器K2提供配置程序。溫度傳感單元、氣壓傳感器通過AD采集器的數(shù)據(jù)以及濕度傳感單元的數(shù)據(jù)傳進(jìn)微處理器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理后輸出相應(yīng)的探空碼。
無線通信模塊選用C8051F920單片機(jī)作為微控制器，該芯片是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，流水線結(jié)構(gòu)的與8051兼容的微控制器核(可達(dá)25MIPS)。將電場傳感器的數(shù)據(jù)、濕度傳感單元的數(shù)據(jù)、氣壓傳感器的數(shù)據(jù)以及溫度傳感單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，C8051F920單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)為整合后的探空碼。同時C8051F920單片機(jī)還輸出一個32KHz的信號，將整合后的探空碼和輸出的32KHz信號通過74LS00與非門轉(zhuǎn)換為32kHz副載波，然后將其發(fā)送到地面。
本實(shí)用新型的MEMS電場探空儀系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)為：
*載波中心頻率f0：1685MHz±3MHz。
*載波頻率穩(wěn)定性：±4MHz。
*發(fā)射功率：不小于400mW。
*接收(回答)靈敏度：不大于20μw/m。
*測距缺口與欠飽和振幅比：不小于30％。
*淬頻頻率：800kHz±15kHz。
*調(diào)制信號頻率：32.7kHz±0.5kHz。
*數(shù)據(jù)內(nèi)容：探空儀序號、外溫度、內(nèi)溫度、氣壓、濕度頻率、電場、校驗(yàn)和。*采樣周期：1s。
*傳輸速率：2400Baud。
*電場傳感器主要技術(shù)指標(biāo)
*溫濕壓傳感器測量性能
量程
溫度：-90℃～50℃；
相對濕度：0％～100％RH；
氣壓：5hPa～1060hPa。
測量范圍和允許誤差(標(biāo)準(zhǔn)偏差)
溫度:-80～40℃，±0.3℃；
相對濕度：10％～90％RH，環(huán)境溫度-25℃及以上：±5％RH；
環(huán)境溫度小于-25℃：±10％RH；
氣壓：10hPa～1050hPa，±1.5hPa。
供電電源
*總電壓28V±2V；10.5V抽頭。
工作時間不小于100min。