本實(shí)用新型具體涉及一種可消除太陽(yáng)輻射誤差的探空濕度測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

近年來(lái)我國(guó)雪災(zāi)、旱災(zāi)、洪澇等自然災(zāi)害發(fā)生頻率高、害危害面廣、破壞性大，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的造成巨大威脅，嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。國(guó)家對(duì)氣象保障的要求更為緊迫、期望也越來(lái)越高。準(zhǔn)確的高空氣象要素測(cè)量數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)精確天氣預(yù)報(bào)和氣象災(zāi)害預(yù)警的基礎(chǔ)。因而目前對(duì)高空氣象要素的準(zhǔn)確探測(cè)尤其是高空濕度的探測(cè)要求也越來(lái)越高?，F(xiàn)今，探空濕度探測(cè)器有雙加熱濕度傳感器，有效解決了高空低溫、低濕、低壓傳感器容易結(jié)露、結(jié)冰的問(wèn)題；還有帶有防護(hù)罩的濕度傳感器，有效的改善了高空云雨導(dǎo)致的測(cè)量精度降低的問(wèn)題。

盡管如此，現(xiàn)階段探空濕度探測(cè)還存在以下缺陷：(1)除了受本身材料和結(jié)構(gòu)等影響外，研究表明太陽(yáng)輻射導(dǎo)致濕度測(cè)量出現(xiàn)明顯的偏干現(xiàn)象，但目前尚缺乏較好的解決方案。(2)傳統(tǒng)的探空濕度傳感器需花費(fèi)大量的成本；(3)高空、低溫環(huán)境下濕度系數(shù)修正困難，濕度傳感器的電容與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線，隨溫度的變化而變化，現(xiàn)有的技術(shù)很難在溫度變化較大的范圍內(nèi)準(zhǔn)確地進(jìn)行誤差修正。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提出一種可消除太陽(yáng)輻射誤差的探空濕度測(cè)量裝置，提高了濕度測(cè)量的精確度和穩(wěn)定性，并且極大的降低了成本。

實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種可消除太陽(yáng)輻射誤差的探空濕度測(cè)量裝置，包括環(huán)境檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元、第一數(shù)據(jù)處理單元、第一無(wú)線通信單元和地面終端單元；所述環(huán)境檢測(cè)單元包括濕度傳感器，濕度傳感器的上表面設(shè)有第一溫度傳感器，其四周至少設(shè)有一個(gè)第二溫度傳感器，第二溫度傳感器由支架支起，支架的一端與濕度傳感器相連，支架的另一端與第二溫度傳感器相連；所述數(shù)據(jù)采集單元的輸入端分別與濕度傳感器、第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的輸出端相連；所述第一數(shù)據(jù)處理單元設(shè)于數(shù)據(jù)采集單元和第一無(wú)線通信單元之間；所述地面終端單元包括相互連接的第二無(wú)線通信單元和第二數(shù)據(jù)處理單元，第二無(wú)線通信單元與第一無(wú)線通信單元之間無(wú)線連接。

進(jìn)一步地，所述第一溫度傳感器為鉑電阻陣列式溫度傳感器；第二溫度傳感器為鉑電阻球型溫度傳感器；所述支架的材料為鋁材，鋁材的反射率大于90％。

進(jìn)一步地，所述濕度傳感器的上表面設(shè)有一個(gè)第一溫度傳感器，其四周布設(shè)四個(gè)第二溫度傳感器。

進(jìn)一步地，所述第一溫度傳感器和第二溫度傳感器上均設(shè)有防護(hù)罩。

進(jìn)一步地，所述濕度傳感器包括從下至上依疊層設(shè)置的基底層、第一絕緣層、加熱層、第二絕緣層、下電極層、感濕層、多孔上電極層和頂部濾網(wǎng)層。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集單元包括A/D采樣電路和多諧振蕩電路；所述A/D采樣電路的輸入端分別與各溫度傳感器的輸出端相連；多諧振蕩電路的輸入端與濕度傳感器的輸出端相連；A/D采樣電路和多諧振蕩電路的輸出端均與第一數(shù)據(jù)處理單元相連；所述第一數(shù)據(jù)處理單元包括第一微處理器芯片；所述第二數(shù)據(jù)處理單元包括第二微處理器芯片。

進(jìn)一步地，所述第一無(wú)線通信單元包括分別與第一微處理器芯片相連的第一北斗通信模塊和第一GPS模塊；所述第二無(wú)線通信單元包括分別與第二微處理器芯片相連的第二北斗通信模塊和第二GPS模塊；所述第一北斗通信模塊與第二北斗通信模塊無(wú)線連接；第一GPS模塊與第二GPS模塊無(wú)線連接。

進(jìn)一步地，所述可消除太陽(yáng)輻射誤差的探空濕度測(cè)量裝置，還包括用于供電的電源模塊，所述電源模塊包括直流電源、與直流電源相連的穩(wěn)壓電路，分別與穩(wěn)壓電路相連的模擬電源、基準(zhǔn)電壓源和數(shù)字電源；模擬電源用于為環(huán)境檢測(cè)單元供電；基準(zhǔn)電壓源用于為數(shù)據(jù)采集單元供電；數(shù)字電源用于為第一數(shù)據(jù)處理單元供電。

一種可消除太陽(yáng)輻射誤差的探空濕度測(cè)量方法，包括以下步驟：

(1)利用濕度傳感器測(cè)得太陽(yáng)輻射加熱條件下的相對(duì)濕度RH₀，濕度傳感器上表面的第一溫度傳感器測(cè)得太陽(yáng)輻射加熱條件下濕度傳感器上表面的溫度T₀，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元傳輸給第一數(shù)據(jù)處理單元；

(2)第一數(shù)據(jù)處理單元調(diào)出預(yù)存的飽和水汽壓和溫度的關(guān)系曲線；

(3)根據(jù)步驟二中的關(guān)系曲線得到T₀所對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓P₀；

(4)根據(jù)相對(duì)濕度公式：得到

因此空氣中的實(shí)際水汽壓P_r＝RH₀×P₀；

(5)設(shè)于濕度傳感器四周的第二溫度傳感器測(cè)得大氣環(huán)境中的實(shí)際溫度，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元傳輸給第一數(shù)據(jù)處理單元，第一數(shù)據(jù)處理單元對(duì)其取平均值得到溫度T₁；

(6)第一數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)飽和水汽壓和溫度關(guān)系得到溫度T₁所對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓P₁；

(7)由相對(duì)濕度公式得到修正后的相對(duì)濕度值RH₀'：

(8)第一數(shù)據(jù)處理單元將修正后的相對(duì)濕度值RH₀'通過(guò)第一無(wú)線通信單元傳送到地面終端單元，完成濕度測(cè)量。

本實(shí)用新型的有益效果：

1.本實(shí)用新型濕度傳感器采用了1個(gè)陣列式溫度傳感器和4個(gè)球狀的溫度傳感器，陣列式溫度傳感器在濕度傳感器表面上可測(cè)太陽(yáng)輻射下的濕度傳感器表面溫度值，所述濕度傳感器四周為支架支起的四個(gè)球狀的溫度傳感器，可測(cè)精確測(cè)量大氣環(huán)境中實(shí)際的溫度；

2.本實(shí)用新型采用的溫度傳感器都安裝有防護(hù)罩，有效改善太陽(yáng)輻射和雨水對(duì)溫度測(cè)量的影響；

3.本實(shí)用新型中的數(shù)據(jù)傳輸采用北斗通信模塊和GPS模塊，可供用戶選擇。北斗覆蓋范圍大，可以把導(dǎo)航定位與通信有機(jī)結(jié)合起來(lái)；

4.本實(shí)用新型的濕度信號(hào)采集電路采用多諧振蕩電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)具有誤差小、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精確的特點(diǎn)；

5.本實(shí)用新型采用軟硬件相結(jié)合方法消除了太陽(yáng)輻射誤差，降低了太陽(yáng)輻射偏干誤差修正的成本，市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值大；

6.本實(shí)用新型采用32位的STM32407ZGT6單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和太陽(yáng)輻射誤差補(bǔ)償，所述單片機(jī)的工作頻率為168MHZ，1024K的內(nèi)存和192KB的SRAM，速度快，實(shí)時(shí)性好，減小了延時(shí)誤差。

7.本實(shí)用新型提出的一種可消除太陽(yáng)輻射誤差的探空濕度測(cè)量裝置及方法，在高空濕度探測(cè)領(lǐng)域尤其是太陽(yáng)輻射誤差修正領(lǐng)域具有很大的市場(chǎng)前景。

附圖說(shuō)明

圖1為濕度傳感器與溫度傳感器的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的探空濕度測(cè)量裝置的電路框圖；

圖3為太陽(yáng)輻射下濕度測(cè)量系統(tǒng)溫度場(chǎng)變化圖；

圖4為可消除太陽(yáng)輻射誤差的濕度測(cè)量方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1-2所示，一種可消除太陽(yáng)輻射誤差的探空濕度測(cè)量裝置，包括環(huán)境檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元、第一數(shù)據(jù)處理單元、第一無(wú)線通信單元和地面終端單元；所述環(huán)境檢測(cè)單元包括濕度傳感器，濕度傳感器的上表面設(shè)有第一溫度傳感器10，可測(cè)濕度傳感器表面的溫度，其四周至少設(shè)有一個(gè)第二溫度傳感器17，第二溫度傳感器17由支架12支起，支架12的一端與濕度傳感器相連，支架12的另一端與第二溫度傳感器17相連，支架12沿濕度傳感器對(duì)角線延伸，其長(zhǎng)度為濕度傳感器的3～5倍，確保第二溫度傳感器17測(cè)量的是空氣中的真實(shí)溫度；所述數(shù)據(jù)采集單元的輸入端分別與濕度傳感器、第一溫度傳感器10和第二溫度傳感器17的輸出端相連；所述第一數(shù)據(jù)處理單元設(shè)于數(shù)據(jù)采集單元和第一無(wú)線通信單元之間；所述地面終端單元包括相互連接的第二無(wú)線通信單元和第二數(shù)據(jù)處理單元，第二無(wú)線通信單元與第一無(wú)線通信單元之間無(wú)線連接。

在本實(shí)用新型的一種實(shí)施例中，所述第一溫度傳感器10通過(guò)立柱9安裝在濕度傳感器的上表面，第一溫度傳感器10與濕度傳感器之間存在間隙，防止?jié)穸葌鞲衅髋c第一溫度傳感器10之間存在熱傳導(dǎo)，從而影響第一溫度傳感器10的測(cè)量精度。

在本實(shí)用新型的一種實(shí)施例中，所述第一溫度傳感器10為陣列式溫度傳感器，優(yōu)選為鉑電阻陣列式溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)測(cè)量濕度傳感器表面的由于太陽(yáng)輻射加熱升高的溫度變化；第二溫度傳感器17為球型溫度傳感器，優(yōu)選為鉑電阻球型溫度傳感器，用于測(cè)量遠(yuǎn)離濕度傳感器表面的大氣環(huán)境真實(shí)溫度；所述支架12的材料為鋁材，鋁材的反射率大于90％。

在本實(shí)用新型中，由于濕度傳感器吸收太陽(yáng)輻射的熱量導(dǎo)致傳感器內(nèi)部溫度升高，這種現(xiàn)象稱之為內(nèi)部導(dǎo)熱，采用原理性的表述太陽(yáng)輻射的影響。

在本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例中，所述濕度傳感器的上表面設(shè)有一個(gè)第一溫度傳感器10，其四周布設(shè)四個(gè)第二溫度傳感器17。

在本實(shí)用新型的一種實(shí)施例中，所述第一溫度傳感器10和第二溫度傳感器17上均設(shè)有防護(hù)罩(11、13、14、15、16)，用于消除太陽(yáng)輻射和雨水對(duì)測(cè)溫的影響。

在本實(shí)用新型的一種實(shí)施例中，所述濕度傳感器包括從下至上依疊層設(shè)置的基底層1、第一絕緣層2、加熱層3、第二絕緣層4、下電極層5、感濕層6、多孔上電極層7和頂部濾網(wǎng)層8。其中，基底層1材料為300μm厚的單晶硅，基底層1氧化形成1～2μm厚的二氧化硅作為第一絕緣層2，采用光刻和刻蝕技術(shù)在第一絕緣層2上制備4～6μm厚的同心圓立體形狀的加熱層3，加熱層3材料為金屬鉑電阻，它的加熱功率高且易于控溫，加熱層上覆有氧化鋁作為第二絕緣層4，在第二絕緣層4上光刻刻蝕制備下電極(優(yōu)選為金下電極)，即下電極層，下電極上采用高分子聚合材料聚酰亞胺作為濕度感濕層6，在感濕層6上采用磁控濺射鍍一層20～40nm厚的多孔上電極層7(優(yōu)選為多孔金上電極層)，在多孔上電極上制備塑料頂部濾網(wǎng)層8，防止探空測(cè)濕過(guò)程中的外界污染。

在本實(shí)用新型的一種實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)采集單元包括A/D采樣電路和多諧振蕩電路；所述A/D采樣電路的輸入端分別與各溫度傳感器的輸出端相連；多諧振蕩電路的輸入端與濕度傳感器的輸出端相連；A/D采樣電路和多諧振蕩電路的輸出端均與第一數(shù)據(jù)處理單元相連；A/D采樣電路和多諧振蕩電路分別用于采集放大、濾波處理后的溫度信號(hào)和濕度信號(hào)；所述第一數(shù)據(jù)處理單元包括第一微處理器芯片；所述第二數(shù)據(jù)處理單元包括第二微處理器芯片。優(yōu)選地，所述A/D采樣電路包括2個(gè)型號(hào)為AD7794的芯片；第一微處理器芯片采用STM32ZGT6單片機(jī)；第二微處理器芯片采用ARM處理器，多諧振蕩電路采用ICM7555。

更優(yōu)選地，所述第一微處理器芯片與數(shù)據(jù)采集單元之間還設(shè)有信號(hào)隔離電路和穩(wěn)壓隔離電路，用于對(duì)數(shù)據(jù)采集單元采集到的信號(hào)進(jìn)行處理。

在本實(shí)用新型的一種實(shí)施例中，所述第一無(wú)線通信單元包括分別與第一微處理器芯片相連的第一北斗通信模塊和第一GPS模塊；所述第二無(wú)線通信單元包括分別與第二微處理器芯片相連的第二北斗通信模塊和第二GPS模塊；所述第一北斗通信模塊與第二北斗通信模塊無(wú)線連接；第一GPS模塊與第二GPS模塊無(wú)線連接。

在本實(shí)用新型的一種實(shí)施例中，所述第一數(shù)據(jù)處理單元還包括LCD液晶顯示模塊、串口接口模塊，LCD液晶顯示模塊用于對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；所述串口接口模塊分別與第一北斗通信模塊和第一GPS模塊相連；所述地面終端大單元包括電源、第二微處理器芯片(ARM處理芯片)、接口單元、第二北斗通信模塊和第二GPS模塊，所述第二北斗通信模塊包括北斗基帶模塊、北斗射頻模塊、北斗接收局域網(wǎng)、北斗發(fā)射功率放大器、北斗接收天線；所述第二GPS模塊包括GPS接收天線、GPS基帶模塊、GPS射頻模塊和GPS核心CPU；

在本實(shí)用新型的一種實(shí)施例中，所述的一種可消除太陽(yáng)輻射誤差的探空濕度測(cè)量裝置，還包括用于供電的電源模塊，所述電源模塊包括直流電源、與直流電源相連的穩(wěn)壓電路，分別與穩(wěn)壓電路相連的模擬電源、基準(zhǔn)電壓源和數(shù)字電源；模擬電源用于為環(huán)境監(jiān)測(cè)單元供電；基準(zhǔn)電壓源用于為數(shù)據(jù)采集單元供電；數(shù)字電源用于為數(shù)據(jù)處理單元供電。優(yōu)選地，所述直流電源為12V直流電源。

如圖3所示為太陽(yáng)輻射下探空濕度測(cè)量裝置中溫度場(chǎng)變化圖，○表示真實(shí)大氣中的水分子，●表示溫度升高的空氣分子，表示大氣中的水汽分子。

高空中q＝h×(t_w-t_∞)，Q＝h×A(t_w-t_∞)＝q^A

其中q指為單位面積的固體表面與流體之間在單位時(shí)間內(nèi)交換的熱量，稱作熱流密度，t_w和t_∞分別為固體表面溫度和流體的溫度，A為壁面面積，Q為面積A上的傳熱熱量，h稱為表面對(duì)流傳熱系數(shù)。

當(dāng)太陽(yáng)輻射時(shí)，太陽(yáng)輻射源與濕度傳感器表面對(duì)流換熱，太陽(yáng)輻射流與濕度傳感器表面單位時(shí)間交換的熱量q₁變大，進(jìn)而導(dǎo)致濕度傳感器表面?zhèn)鳠釤崃縌₁變大，大氣氣流與濕度傳感器表面對(duì)流換熱，大氣氣流與濕度傳感器表面單位時(shí)間交換的熱量q₂明顯小于q₁，氣流分子與濕度傳感器碰撞會(huì)抵消一部分熱量，但是遠(yuǎn)小于濕度傳感器吸收的太陽(yáng)輻射的熱量，從而導(dǎo)致濕度傳感器表面溫度升高，所測(cè)濕度偏干。圖中3中置于濕度傳感器表面的陣列式溫度傳感器可測(cè)量溫度升高后濕度傳感器表面的溫度T₀；濕度傳感器四周由支架支起的第二溫度傳感器可測(cè)得真實(shí)大氣中的溫度值T₁，探空濕度測(cè)量裝置通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元將數(shù)據(jù)傳輸給第一數(shù)據(jù)處理單元中的單片機(jī)，單片機(jī)調(diào)出溫度和飽和水汽壓的關(guān)系，通過(guò)軟硬件結(jié)合可對(duì)太陽(yáng)輻射誤差進(jìn)行有效地消除。

為了解決太陽(yáng)輻射引起的濕度測(cè)量偏干誤差，如圖4所示，本實(shí)用新型的一種可消除太陽(yáng)輻射誤差的探空濕度測(cè)量方法，包括以下步驟：

(1)利用濕度傳感器測(cè)得太陽(yáng)輻射加熱條件下的相對(duì)濕度RH₀，濕度傳感器上表面的第一溫度傳感器測(cè)得太陽(yáng)輻射加熱條件下濕度傳感器上表面的溫度T₀，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元傳輸給第一數(shù)據(jù)處理單元；

(2)第一數(shù)據(jù)處理單元調(diào)出預(yù)存的飽和水汽壓和溫度的關(guān)系曲線；即STM32ZGT6單片機(jī)調(diào)出預(yù)存的飽和水汽壓和溫度的關(guān)系曲線；

(3)根據(jù)步驟二中的關(guān)系曲線得到T₀所對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓P₀；

(4)根據(jù)相對(duì)濕度公式：得到

因此空氣中的實(shí)際水汽壓P_r＝RH₀×P₀；

(5)設(shè)于濕度傳感器四周的第二溫度傳感器測(cè)得大氣環(huán)境中的實(shí)際溫度，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元傳輸給第一數(shù)據(jù)處理單元，第一數(shù)據(jù)處理單元對(duì)其取平均值得到溫度T₁；

(6)第一數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)飽和水汽壓和溫度關(guān)系得到溫度T₁所對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓P₁；

(7)由相對(duì)濕度公式得到修正后的相對(duì)濕度值RH₀'：

(8)第一數(shù)據(jù)處理單元將修正后的相對(duì)濕度值RH₀'通過(guò)第一無(wú)線通信單元傳送到地面終端單元。

上述方法可以采用本實(shí)用新型中的探空濕度測(cè)量裝置來(lái)完成。

綜上所述：

1.本實(shí)用新型濕度傳感器采用了1個(gè)陣列式溫度傳感器和4個(gè)球狀的溫度傳感器，陣列式溫度傳感器在濕度傳感器表面上可測(cè)太陽(yáng)輻射下的濕度傳感器表面溫度值，所述探空濕度傳感器四周為支架支起的四個(gè)球狀溫度傳感器，可測(cè)精確測(cè)量大氣環(huán)境中實(shí)際的溫度；

2.本實(shí)用新型采用的溫度傳感器都安裝有防護(hù)罩，有效改善太陽(yáng)輻射和雨水對(duì)溫度測(cè)量的影響；

3.本實(shí)用新型中的數(shù)據(jù)傳輸采用北斗模塊和GPS模塊，可供用戶選擇。北斗覆蓋范圍大，可以把導(dǎo)航定位與通信有機(jī)結(jié)合起來(lái)；

4.本實(shí)用新型的濕度信號(hào)采集電路采用多諧振蕩電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)具有誤差小、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精確的特點(diǎn)；

5.本實(shí)用新型采用軟硬件相結(jié)合方法消除了太陽(yáng)輻射誤差，降低了太陽(yáng)輻射偏干誤差修正的成本，市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值大；

6.本實(shí)用新型采用32位的STM32407ZGT6單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和太陽(yáng)輻射誤差補(bǔ)償，所述單片機(jī)的工作頻率為168MHZ，1024K的內(nèi)存和192KB的SRAM，速度快，實(shí)時(shí)性好，減小了延時(shí)誤差。

7.本實(shí)用新型提出的一種可消除太陽(yáng)輻射誤差的探空濕度測(cè)量裝置及方法，在高空濕度探測(cè)領(lǐng)域尤其是太陽(yáng)輻射誤差修正領(lǐng)域具有很大的市場(chǎng)前景。

上述方法可以采用本實(shí)用新型的可消除太陽(yáng)輻射誤差的探空濕度測(cè)量裝置來(lái)完成。

以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。