CN106526085A - 一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置及方法，包括环境检测单元、数据采集单元、第一数据处理单元、第一无线通信单元和地面终端单元；所述环境检测单元包括湿度传感器，湿度传感器的上表面设有第一温度传感器，其四周至少设有一个第二温度传感器；所述数据采集单元的输入端分别与湿度传感器、第一温度传感器和第二温度传感器的输出端相连；所述第一数据处理单元设于数据采集单元和第一无线通信单元之间；所述地面终端单元包括相互连接的第二无线通信单元和第二数据处理单元，第二无线通信单元与第一无线通信单元之间无线连接。本发明提高了湿度测量的精确度和稳定性，并且极大的降低了成本。

Description

一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置及方法

技术领域

本发明具体涉及一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置及方法。

背景技术

近年来我国雪灾、旱灾、洪涝等自然灾害发生频率高、害危害面广、破坏性大，对人民生命财产安全的造成巨大威胁，严重制约了社会经济的发展。国家对气象保障的要求更为紧迫、期望也越来越高。准确的高空气象要素测量数据是实现精确天气预报和气象灾害预警的基础。因而目前对高空气象要素的准确探测尤其是高空湿度的探测要求也越来越高。现今，探空湿度探测器有双加热湿度传感器，有效解决了高空低温、低湿、低压传感器容易结露、结冰的问题；还有带有防护罩的湿度传感器，有效的改善了高空云雨导致的测量精度降低的问题。

尽管如此，现阶段探空湿度探测还存在以下缺陷：(1)除了受本身材料和结构等影响外，研究表明太阳辐射导致湿度测量出现明显的偏干现象，但目前尚缺乏较好的解决方案。(2)传统的探空湿度传感器需花费大量的成本；(3)高空、低温环境下湿度系数修正困难，湿度传感器的电容与相对湿度的关系曲线，随温度的变化而变化，现有的技术很难在温度变化较大的范围内准确地进行误差修正。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置及方法，提高了湿度测量的精确度和稳定性，并且极大的降低了成本。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，包括环境检测单元、数据采集单元、第一数据处理单元、第一无线通信单元和地面终端单元；所述环境检测单元包括湿度传感器，湿度传感器的上表面设有第一温度传感器，其四周至少设有一个第二温度传感器，第二温度传感器由支架支起，支架的一端与湿度传感器相连，支架的另一端与第二温度传感器相连；所述数据采集单元的输入端分别与湿度传感器、第一温度传感器和第二温度传感器的输出端相连；所述第一数据处理单元设于数据采集单元和第一无线通信单元之间；所述地面终端单元包括相互连接的第二无线通信单元和第二数据处理单元，第二无线通信单元与第一无线通信单元之间无线连接。

进一步地，所述第一温度传感器为铂电阻阵列式温度传感器；第二温度传感器为铂电阻球型温度传感器；所述支架的材料为铝材，铝材的反射率大于90％。

进一步地，所述湿度传感器的上表面设有一个第一温度传感器，其四周布设四个第二温度传感器。

进一步地，所述第一温度传感器和第二温度传感器上均设有防护罩。

进一步地，所述湿度传感器包括从下至上依叠层设置的基底层、第一绝缘层、加热层、第二绝缘层、下电极层、感湿层、多孔上电极层和顶部滤网层。

进一步地，所述数据采集单元包括A/D采样电路和多谐振荡电路；所述A/D采样电路的输入端分别与各温度传感器的输出端相连；多谐振荡电路的输入端与湿度传感器的输出端相连；A/D采样电路和多谐振荡电路的输出端均与第一数据处理单元相连；所述第一数据处理单元包括第一微处理器芯片；所述第二数据处理单元包括第二微处理器芯片。

进一步地，所述第一无线通信单元包括分别与第一微处理器芯片相连的第一北斗通信模块和第一GPS模块；所述第二无线通信单元包括分别与第二微处理器芯片相连的第二北斗通信模块和第二GPS模块；所述第一北斗通信模块与第二北斗通信模块无线连接；第一GPS模块与第二GPS模块无线连接。

进一步地，所述可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，还包括用于供电的电源模块，所述电源模块包括直流电源、与直流电源相连的稳压电路，分别与稳压电路相连的模拟电源、基准电压源和数字电源；模拟电源用于为环境检测单元供电；基准电压源用于为数据采集单元供电；数字电源用于为第一数据处理单元供电。

一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量方法，包括以下步骤：

(1)利用湿度传感器测得太阳辐射加热条件下的相对湿度RH₀，湿度传感器上表面的第一温度传感器测得太阳辐射加热条件下湿度传感器上表面的温度T₀，并通过数据采集单元传输给第一数据处理单元；

(2)第一数据处理单元调出预存的饱和水汽压和温度的关系曲线；

(3)根据步骤二中的关系曲线得到T₀所对应的饱和水汽压P₀；

(4)根据相对湿度公式：得到因此空气中的实际水汽压P_r＝RH₀×P₀；

(5)设于湿度传感器四周的第二温度传感器测得大气环境中的实际温度，并通过数据采集单元传输给第一数据处理单元，第一数据处理单元对其取平均值得到温度T₁；

(6)第一数据处理单元通过饱和水汽压和温度关系得到温度T₁所对应的饱和水汽压P₁；

(7)由相对湿度公式得到修正后的相对湿度值RH₀'：

(8)第一数据处理单元将修正后的相对湿度值RH₀'通过第一无线通信单元传送到地面终端单元，完成湿度测量。

本发明的有益效果：

1.本发明湿度传感器采用了1个阵列式温度传感器和4个球状的温度传感器，阵列式温度传感器在湿度传感器表面上可测太阳辐射下的湿度传感器表面温度值，所述湿度传感器四周为支架支起的四个球状的温度传感器，可测精确测量大气环境中实际的温度；

2.本发明采用的温度传感器都安装有防护罩，有效改善太阳辐射和雨水对温度测量的影响；

3.本发明中的数据传输采用北斗通信模块和GPS模块，可供用户选择。北斗覆盖范围大，可以把导航定位与通信有机结合起来；

4.本发明的湿度信号采集电路采用多谐振荡电路，结构简单，同时具有误差小、抗干扰能力强、测量精确的特点；

5.本发明采用软硬件相结合方法消除了太阳辐射误差，降低了太阳辐射偏干误差修正的成本，市场应用价值大；

6.本发明采用32位的STM32407ZGT6单片机进行数据处理和太阳辐射误差补偿，所述单片机的工作频率为168MHZ，1024K的内存和192KB的SRAM，速度快，实时性好，减小了延时误差。

7.本发明提出的一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置及方法，在高空湿度探测领域尤其是太阳辐射误差修正领域具有很大的市场前景。

附图说明

图1为湿度传感器与温度传感器的安装结构示意图；

图2为本发明的探空湿度测量装置的电路框图；

图3为太阳辐射下湿度测量系统温度场变化图；

图4为可消除太阳辐射误差的湿度测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1-2所示，一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，包括环境检测单元、数据采集单元、第一数据处理单元、第一无线通信单元和地面终端单元；所述环境检测单元包括湿度传感器，湿度传感器的上表面设有第一温度传感器10，可测湿度传感器表面的温度，其四周至少设有一个第二温度传感器17，第二温度传感器17由支架12支起，支架12的一端与湿度传感器相连，支架12的另一端与第二温度传感器17相连，支架12沿湿度传感器对角线延伸，其长度为湿度传感器的3～5倍，确保第二温度传感器17测量的是空气中的真实温度；所述数据采集单元的输入端分别与湿度传感器、第一温度传感器10和第二温度传感器17的输出端相连；所述第一数据处理单元设于数据采集单元和第一无线通信单元之间；所述地面终端单元包括相互连接的第二无线通信单元和第二数据处理单元，第二无线通信单元与第一无线通信单元之间无线连接。

在本发明的一种实施例中，所述第一温度传感器10通过立柱9安装在湿度传感器的上表面，第一温度传感器10与湿度传感器之间存在间隙，防止湿度传感器与第一温度传感器10之间存在热传导，从而影响第一温度传感器10的测量精度。

在本发明的一种实施例中，所述第一温度传感器10为阵列式温度传感器，优选为铂电阻阵列式温度传感器，用于实时测量湿度传感器表面的由于太阳辐射加热升高的温度变化；第二温度传感器17为球型温度传感器，优选为铂电阻球型温度传感器，用于测量远离湿度传感器表面的大气环境真实温度；所述支架12的材料为铝材，铝材的反射率大于90％。

在本发明中，由于湿度传感器吸收太阳辐射的热量导致传感器内部温度升高，这种现象称之为内部导热，采用原理性的表述太阳辐射的影响。

在本发明的优选实施例中，所述湿度传感器的上表面设有一个第一温度传感器10，其四周布设四个第二温度传感器17。

在本发明的一种实施例中，所述第一温度传感器10和第二温度传感器17上均设有防护罩(11、13、14、15、16)，用于消除太阳辐射和雨水对测温的影响。

在本发明的一种实施例中，所述湿度传感器包括从下至上依叠层设置的基底层1、第一绝缘层2、加热层3、第二绝缘层4、下电极层5、感湿层6、多孔上电极层7和顶部滤网层8。其中，基底层1材料为300μm厚的单晶硅，基底层1氧化形成1～2μm厚的二氧化硅作为第一绝缘层2，采用光刻和刻蚀技术在第一绝缘层2上制备4～6μm厚的同心圆立体形状的加热层3，加热层3材料为金属铂电阻，它的加热功率高且易于控温，加热层上覆有氧化铝作为第二绝缘层4，在第二绝缘层4上光刻刻蚀制备下电极(优选为金下电极)，即下电极层，下电极上采用高分子聚合材料聚酰亚胺作为湿度感湿层6，在感湿层6上采用磁控溅射镀一层20～40nm厚的多孔上电极层7(优选为多孔金上电极层)，在多孔上电极上制备塑料顶部滤网层8，防止探空测湿过程中的外界污染。

在本发明的一种实施例中，所述数据采集单元包括A/D采样电路和多谐振荡电路；所述A/D采样电路的输入端分别与各温度传感器的输出端相连；多谐振荡电路的输入端与湿度传感器的输出端相连；A/D采样电路和多谐振荡电路的输出端均与第一数据处理单元相连；A/D采样电路和多谐振荡电路分别用于采集放大、滤波处理后的温度信号和湿度信号；所述第一数据处理单元包括第一微处理器芯片；所述第二数据处理单元包括第二微处理器芯片。优选地，所述A/D采样电路包括2个型号为AD7794的芯片；第一微处理器芯片采用STM32ZGT6单片机；第二微处理器芯片采用ARM处理器，多谐振荡电路采用ICM7555。

更优选地，所述第一微处理器芯片与数据采集单元之间还设有信号隔离电路和稳压隔离电路，用于对数据采集单元采集到的信号进行处理。

在本发明的一种实施例中，所述第一无线通信单元包括分别与第一微处理器芯片相连的第一北斗通信模块和第一GPS模块；所述第二无线通信单元包括分别与第二微处理器芯片相连的第二北斗通信模块和第二GPS模块；所述第一北斗通信模块与第二北斗通信模块无线连接；第一GPS模块与第二GPS模块无线连接。

在本发明的一种实施例中，所述第一数据处理单元还包括LCD液晶显示模块、串口接口模块，LCD液晶显示模块用于对处理后的数据进行显示；所述串口接口模块分别与第一北斗通信模块和第一GPS模块相连；所述地面终端大单元包括电源、第二微处理器芯片(ARM处理芯片)、接口单元、第二北斗通信模块和第二GPS模块，所述第二北斗通信模块包括北斗基带模块、北斗射频模块、北斗接收局域网、北斗发射功率放大器、北斗接收天线；所述第二GPS模块包括GPS接收天线、GPS基带模块、GPS射频模块和GPS核心CPU；

在本发明的一种实施例中，所述的一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，还包括用于供电的电源模块，所述电源模块包括直流电源、与直流电源相连的稳压电路，分别与稳压电路相连的模拟电源、基准电压源和数字电源；模拟电源用于为环境监测单元供电；基准电压源用于为数据采集单元供电；数字电源用于为数据处理单元供电。优选地，所述直流电源为12V直流电源。

如图3所示为太阳辐射下探空湿度测量装置中温度场变化图，○表示真实大气中的水分子，●表示温度升高的空气分子，表示大气中的水汽分子。

高空中q＝h×(t_w-t_∞)，Q＝h×A(t_w-t_∞)＝qA

其中q指为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度，t_w和t_∞分别为固体表面温度和流体的温度，A为壁面面积，Q为面积A上的传热热量，h称为表面对流传热系数。

当太阳辐射时，太阳辐射源与湿度传感器表面对流换热，太阳辐射流与湿度传感器表面单位时间交换的热量q₁变大，进而导致湿度传感器表面传热热量Q₁变大，大气气流与湿度传感器表面对流换热，大气气流与湿度传感器表面单位时间交换的热量q₂明显小于q₁，气流分子与湿度传感器碰撞会抵消一部分热量，但是远小于湿度传感器吸收的太阳辐射的热量，从而导致湿度传感器表面温度升高，所测湿度偏干。图中3中置于湿度传感器表面的阵列式温度传感器可测量温度升高后湿度传感器表面的温度T₀；湿度传感器四周由支架支起的第二温度传感器可测得真实大气中的温度值T₁，探空湿度测量装置通过数据采集单元将数据传输给第一数据处理单元中的单片机，单片机调出温度和饱和水汽压的关系，通过软硬件结合可对太阳辐射误差进行有效地消除。

为了解决太阳辐射引起的湿度测量偏干误差，如图4所示，本发明的一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量方法，包括以下步骤：

(1)利用湿度传感器测得太阳辐射加热条件下的相对湿度RH₀，湿度传感器上表面的第一温度传感器测得太阳辐射加热条件下湿度传感器上表面的温度T₀，并通过数据采集单元传输给第一数据处理单元；

(2)第一数据处理单元调出预存的饱和水汽压和温度的关系曲线；即STM32ZGT6单片机调出预存的饱和水汽压和温度的关系曲线；

(3)根据步骤二中的关系曲线得到T₀所对应的饱和水汽压P₀；

(4)根据相对湿度公式：得到因此空气中的实际水汽压P_r＝RH₀×P₀；

(5)设于湿度传感器四周的第二温度传感器测得大气环境中的实际温度，并通过数据采集单元传输给第一数据处理单元，第一数据处理单元对其取平均值得到温度T₁；

(6)第一数据处理单元通过饱和水汽压和温度关系得到温度T₁所对应的饱和水汽压P₁；

(7)由相对湿度公式得到修正后的相对湿度值RH₀'：

(8)第一数据处理单元将修正后的相对湿度值RH₀'通过第一无线通信单元传送到地面终端单元。

上述方法可以采用本发明中的探空湿度测量装置来完成。

综上所述：

1.本发明湿度传感器采用了1个阵列式温度传感器和4个球状的温度传感器，阵列式温度传感器在湿度传感器表面上可测太阳辐射下的湿度传感器表面温度值，所述探空湿度传感器四周为支架支起的四个球状温度传感器，可测精确测量大气环境中实际的温度；

2.本发明采用的温度传感器都安装有防护罩，有效改善太阳辐射和雨水对温度测量的影响；

3.本发明中的数据传输采用北斗模块和GPS模块，可供用户选择。北斗覆盖范围大，可以把导航定位与通信有机结合起来；

4.本发明的湿度信号采集电路采用多谐振荡电路，结构简单，同时具有误差小、抗干扰能力强、测量精确的特点；

5.本发明采用软硬件相结合方法消除了太阳辐射误差，降低了太阳辐射偏干误差修正的成本，市场应用价值大；

6.本发明采用32位的STM32407ZGT6单片机进行数据处理和太阳辐射误差补偿，所述单片机的工作频率为168MHZ，1024K的内存和192KB的SRAM，速度快，实时性好，减小了延时误差。

7.本发明提出的一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置及方法，在高空湿度探测领域尤其是太阳辐射误差修正领域具有很大的市场前景。

上述方法可以采用本发明的可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置来完成。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，其特征在于：包括环境检测单元、数据采集单元、第一数据处理单元、第一无线通信单元和地面终端单元；所述环境检测单元包括湿度传感器，湿度传感器的上表面设有第一温度传感器，其四周至少设有一个第二温度传感器，第二温度传感器由支架支起，支架的一端与湿度传感器相连，支架的另一端与第二温度传感器相连；所述数据采集单元的输入端分别与湿度传感器、第一温度传感器和第二温度传感器的输出端相连；所述第一数据处理单元设于数据采集单元和第一无线通信单元之间；所述地面终端单元包括相互连接的第二无线通信单元和第二数据处理单元，第二无线通信单元与第一无线通信单元之间无线连接。

2.根据权利要求1所述的一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，其特征在于：所述第一温度传感器为阵列式温度传感器；第二温度传感器为球型温度传感器；所述支架的材料为铝材，铝材的反射率大于90％。

3.根据权利要求1所述的一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，其特征在于：所述湿度传感器的上表面设有一个第一温度传感器，其四周布设四个第二温度传感器。

4.根据权利要求1所述的一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，其特征在于：所述第一温度传感器和第二温度传感器上均设有防护罩。

5.根据权利要求1所述的一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，其特征在于：所述湿度传感器包括从下至上依叠层设置的基底层、第一绝缘层、加热层、第二绝缘层、下电极层、感湿层、多孔上电极层和顶部滤网层。

6.根据权利要求1所述的一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，其特征在于：所述数据采集单元包括A/D采样电路和多谐振荡电路；所述A/D采样电路的输入端分别与各温度传感器的输出端相连；多谐振荡电路的输入端与湿度传感器的输出端相连；A/D采样电路和多谐振荡电路的输出端均与第一数据处理单元相连；所述第一数据处理单元包括第一微处理器芯片；所述第二数据处理单元包括第二微处理器芯片。

7.根据权利要求6所述的一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，其特征在于：所述第一无线通信单元包括分别与第一微处理器芯片相连的第一北斗通信模块和第一GPS模块；所述第二无线通信单元包括分别与第二微处理器芯片相连的第二北斗通信模块和第二GPS模块；所述第一北斗通信模块与第二北斗通信模块无线连接；第一GPS模块与第二GPS模块无线连接。

8.根据权利要求1所述的一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量装置，其特征在于：还包括用于供电的电源模块，所述电源模块包括直流电源、与直流电源相连的稳压电路，分别与稳压电路相连的模拟电源、基准电压源和数字电源；模拟电源用于为环境检测单元供电；基准电压源用于为数据采集单元供电；数字电源用于为第一数据处理单元供电。

9.一种可消除太阳辐射误差的探空湿度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用湿度传感器测得太阳辐射加热条件下的相对湿度RH₀，湿度传感器上表面的第一温度传感器测得太阳辐射加热条件下湿度传感器上表面的温度T₀，并通过数据采集单元传输给第一数据处理单元；

(2)第一数据处理单元调出预存的饱和水汽压和温度的关系曲线；

(3)根据步骤二中的关系曲线得到T₀所对应的饱和水汽压P₀；

(4)根据相对湿度公式：得到因此空气中的实际水汽压P_r＝RH₀×P₀；

(5)设于湿度传感器四周的第二温度传感器测得大气环境中的实际温度，并通过数据采集单元传输给第一数据处理单元，第一数据处理单元对其取平均值得到温度T₁；

(6)第一数据处理单元通过饱和水汽压和温度关系得到温度T₁所对应的饱和水汽压P₁；

(7)由相对湿度公式得到修正后的相对湿度值RH₀'：

(8)第一数据处理单元将修正后的相对湿度值RH₀'通过第一无线通信单元传送到地面终端单元，完成湿度测量。