CN110068449B - 一种测量天文台址视宁度的装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种测量天文台址视宁度的装置，包括：控制模块、压强采集模块、温度采集模块和微温差采集模块；所述压强采集模块的输出端与所述控制模块的第一输入端电连接，所述温度采集模块的输出端与所述控制模块的第二输入端电连接，所述微温差采集模块的输出端与所述控制模块的第三输入端电连接；所述压强采集模块被配置为能够测量压强；所述温度采集模块被配置为能够测量测空气两点间的平均温度；所述微温差采集模块包括依次电连接的电桥单元、差分放大单元、绝对值单元、跟随单元和滤波单元，所述滤波单元的输出端为所述微温差采集模块的输出端。
Description
技术领域
本申请属于电子设备领域，具体地说，涉及一种测量天文台址视宁度的装置。
背景技术
天文台址的各种指标中，视宁度是最重要的指标之一。对没有使用自适应光学技术的大望远镜，星象的角直径是由视宁度决定的。一架4m望远镜放在视宁度2角秒的台址，和一架2m望远镜放在视宁度为1角秒的台址上相比，极限星等是一样的，而后者的分辨率更高。视宁度是由于地球大气引起的星象的亮度闪烁、形状破坏、位置变化。视宁度是不同高度大气影响的总结果。一般高度30m以下的大气称为地面层，可以用安置在高塔上的微温传感器取样观测。但在现有技术中，微温测大气视宁度不能描述湍流的变化情况，使得不能够得到高精准的视宁度数据，因此，有必要提供一种改进的测量天文台址视宁度的装置。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的测量天文台址视宁度的装置的新技术方案。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种测量天文台址视宁度的装置，包括：
控制模块、压强采集模块、温度采集模块和微温差采集模块；
所述压强采集模块的输出端与所述控制模块的第一输入端电连接，所述温度采集模块的输出端与所述控制模块的第二输入端电连接，所述微温差采集模块的输出端与所述控制模块的第三输入端电连接；所述压强采集模块被配置为能够测量压强；所述温度采集模块被配置为能够测量测空气两点间的平均温度；
所述微温差采集模块包括依次电连接的电桥单元、差分放大单元、绝对值单元、跟随单元和滤波单元，所述滤波单元的输出端为所述微温差采集模块的输出端；所述电桥单元包括两个桥臂，每个桥臂都是固定电阻、铂丝和可调电阻串联，且每个所述桥臂的上桥臂为固定电阻，所述桥臂的下桥臂为铂丝和可调电阻。
可选地，所述微温差采集模块还包括开关单元，所述开关单元分别与所述电桥单元的输入端和所述控制模块的第一输出端电连接，所述控制模块通过所述开关单元控制所述电桥单元的通电和断电。
可选地，所述开关单元包括三极管，所述三极管的基极与所述控制模块的第一输出端电连接，所述三极管的发射极与所述电桥单元的输入端电连接。
可选地，所述微温差采集模块还包括电源单元，所述三极管的集电极与所述电源单元电连接。
可选地，还包括上位机，所述上位机的输入端与所述控制模块的第二输出端电连接。
可选地，还包括程序烧写单元，所述程序烧写单元的输出端与所述控制模块的第四输入端电连接。
可选地，包括装置主体，所述控制模块设置在所述装置主体内，所述微温差采集模块具有两个Y型电路板，每个所述Y形电路板的开口端上设置一个所述铂丝。
可选地，所述Y形电路板的另一端通过屏蔽线电连接至所述装置主体。
可选地，所述两个所述Y型电路板分别通过屏蔽线连接电连接至所述装置主体。
可选地，所述固定电阻的阻值为1KΩ，所述可调电阻的阻值为0-10Ω。
本发明的一个技术效果在于，本发明通过铂丝的阻值变化，测量视宁度，能够得到精确的视宁度数据。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请一些实施例的连接关系结构示意图；
图2是本申请一些实施例的结构连接示意图；
图3为本申请一些实施例在丽江2.4米望远镜圆顶内实测数据；
图中：1控制模块，2压强采集模块，3温度采集模块，4微温差采集模块，41电桥单元，411铂丝，412 Y形电路板，413屏蔽线，42差分放大单元，43绝对值单元，44跟随单元，45滤波单元，46开关单元，47电源单元，5程序烧写单元，6上位机，7装置主体。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本申请提供的一种测量天文台址视宁度的装置，参考图1和图2的示意性结构图，在一些实施例中，包括：
控制模块1、压强采集模块2、温度采集模块3和微温差采集模块4。控制模块1可以是STM32模块：该模块使用的芯片是stm32f103c8t6；压强采集模块可以是大气压强传感器BMP280，能够测量压强并输出相应的信号；温度采集模块可以是数字温度传感器DS18B20，能够测量测空气两点间的平均温度并输出信号；在一些其他的实施例中，模块的型号也可以由本领域技术人员根据实际情况选择，本申请对此并不限制。
所述微温差采集模块4包括依次电连接的：电桥单元41、差分放大单元42、绝对值单元43、跟随单元44和滤波单元45，
所述电桥单元41包括电桥电路；电桥电路包括两个桥臂，每个桥臂都是固定电阻、铂丝411和可调电阻串联，且每个所述桥臂的上桥臂为固定电阻，所述桥臂的下桥臂为铂丝411和可调电阻，通过可调电阻将电桥基本调平，克服导线的引起的电阻误差。两个桥臂上的铂丝电阻用于测空气中两点的温差，将其转换成电压差ΔU。铂丝的温度系数为3.8×10-3，每个桥臂的阻值变化不大，每个桥臂近似为恒流源。
差分放大单元42包括差分放大电路：电桥单元41输出至差分放大电路的输入口，不但消除其共模分量，还将其放大。一个具体实施例中，桥臂输出的电压经过INA122UA差分放大205倍输出至绝对值电路。
绝对值单元43包括绝对值电路，若两点之间产生负电压差AU，将其转换成正电压。一个具体实施例中，可以利用集成运放OPA2132搭建绝对值电路，输出至跟随电路。
跟随单元44包括跟随电路，主要提高输入阻抗，降低输出阻抗，使信号更好地输入至滤波器电路。滤波单元45包括滤波电路，二阶低通有源滤波器，设置截止频率1KHZ，消除噪声，将信号输出。一个具体实施例中，可以利用集成运放OPA2132搭建跟随电路和滤波器电路，使信号输出。
所述滤波单元45的输出端为所述微温差采集模块4的输出端。上述电路，除电桥电路中的桥臂外，其余电路的具体设置形式可以是本领域的常规设置形式，本申请对此并无特殊要求，使其匹配即可。
所述压强采集模块2的输出端与所述控制模块1的第一输入端电连接，所述温度采集模块3的输出端与所述控制模块1的第二输入端电连接，所述微温差采集模块4的输出端与所述控制模块1的第三输入端电连接，将采集到的数据信号发送给控制模块1，控制模块1对采集到的数据信号进行处理，或者形成参数信号再次输出。
本专利也是主要通过铂丝的阻值变化，测量视宁度，能够得到精确的视宁度数据。
温度不均匀引起的湍流导致圆顶视宁度和主镜视宁度变差，度量湍流强度的量为折射率结构常数Cn 2。
根据Kolmogorov的各向同性假设，当大气中两点之间的距离位于大气湍流惯性区时，其温度结构函数满足如下
Ct 2(r)＝<[T(P1)-T(P2)]2>r-2/3
其中Ct 2(r)为温度结构常数，T(P1)和T(P2)分别为空间两点相距为r的温度，r一般取1米。
折射率结构常数和温度结构常数的关系可表示为
P和T表示空间测量点的气压和绝对温度。
根据上面的公式，测量两点的温度差值、气压和平均温度，可以求出折射率结构常数。
在天文台的圆顶和主镜的附近放置本专利装置，对折射率结构常数在光路上积分，即可求得近地面的视宁度r0。
微温差采集模块4的主要传感来自于微米量级的金属铂丝，金属丝的电阻值随温度变化的公式为：
上述公式的R0表示为T0下电阻值，为温度系数，TW为金属丝实际温度，T0为标定的温度，取T0＝0°。当完全相同的金属丝若温度不同则
给金属丝通过恒流源时
其中I、R0都是定值，对ΔU进行ADC放大采样就可得到温度的变化。
在一个实施例中，本申请将电桥电路中两个桥臂上的铂丝411调整距离为1m，通过铂丝411可以采集两点之间的同一时刻的电压差，同一时刻指的是大气冻结时间5ms内，这个电压差反应的是温度差。相比于现有技术中的单点测温，单点测温不能描述湍流的变化情况，并且现有技术无法测量电桥输出的负电压对应的温度，因此，本申请的测量天文台址视宁度的装置能够得到更加精确的视宁度数据。参考图3应用本申请在丽江2.4米望远镜圆顶内实测数据，测得的视宁度数据较更为精准。
在一些实施例中，参考图1，所述微温差采集模块4还包括开关单元46，所述开关单元46分别与所述电桥单元41的输入端和所述控制模块1的第一输出端电连接，所述控制模块1通过所述开关单元46控制所述电桥单元41的通电和断电，使金属铂丝有效地通电和断电，防止发热产生影响。
在一些实施例中，所述开关单元包括三极管，所述三极管的基极与所述控制模块1的第一输出端电连接，所述三极管的发射极与所述电桥单元41的输入端电连接，使得控制模块1能够通过控制三极管实现开关电路，控制所述电桥单元41的通电和断电，有效地避免长时间进行加热，导致的温度误差。
在一些实施例中，所述微温差采集模块4还包括电源单元47，所述三极管的集电极与所述电源单元47电连接，电源单元用于提供电能。在一个具体的实施例中，电源适配器输出12V电压，通过DC-DC模块IA1205S-2W输出正负5V电压，5V电压经过AMS1117-3.3输出3.3V至开关单元46。
在一些实施例中，还包括上位机6，所述上位机6的输入端与所述控制模块1的第二输出端电连接，将参数信号输出值上位机6。进一步的，控制模块1与上位机6双向电连接，使得上位机6还能够对控制模块1发出控制指令信号。进一步的，所述上位机6可以是个人电脑，通过串口连接，进行接收和输出指令。
在一些实施例中，参考图1，本装置还包括程序烧写单元5，所述程序烧写单元5的输出端与所述控制模块1的第四输入端电连接。
在一些实施例中，参考图2，本装置包括装置主体7，所述控制模块1设置在所述装置主体7内，所述微温差采集模块4具有两个Y型电路板，每个所述Y形电路板412的开口端上设置一个所述铂丝411，将铂丝411焊接在所述Y形电路板412的开口端，铂丝411的两端与Y形电路板412的开口端的两侧连接，使得铂丝411能够充分与空气接触，避免与装置内部的其它物体接触而导致感应到的空气温度不精准，通过Y形电路板412的设置尽可能的提高铂丝411的感应精度，从而提高本装置的精度。进一步的，铂丝411的长度为3cm，即铂丝411两端固定之后的有效长度为3cm。
在一些实施例中，参考图2，所述Y形电路板412的另一端通过屏蔽线413电连接至所述装置主体7，使得Y形电路板412能够相对装置主体7发生移动，从而调整两个铂丝411，即两个桥臂之间的距离，从而达到测量温度差的目的。进一步的，所述两个所述Y型电路板分别通过屏蔽线413连接电连接至所述装置主体7，使得两个桥臂均能够移动，间距和位置可调。
本申请在电桥电路中设置两个桥臂，将两个桥臂通过屏蔽线连接Y形电路板，Y形电路板上电连接铂丝411，两个铂丝411距离为1m，通过铂丝411可以采集两点之间的同一时刻的电压差，同一时刻指的是大气冻结时间5ms内，这个电压差反应的是温度差。相比于现有技术中的单点测温，单点测温不能描述湍流的变化情况，并且现有技术无法测量电桥输出的负电压对应的温度，因此，本申请的测量天文台址视宁度的装置能够得到更加精确的视宁度数据。
在一个具体的实施例中，所述固定电阻的阻值为1KΩ，所述可调电阻的阻值为0-10Ω。
参考图1，在一个具体的实施例中，控制模块1可以是STM32模块：该模块使用的芯片是stm32f103c8t6；压强采集模块可以是大气压强传感器BMP280；温度采集模块可以是数字温度传感器DS18B20；通过PA0实现单总线协议与DS18B20通信，采集温度数据；通过UART3和BMP280通信，采集压强数据；通过UART1烧写程序；通过UART2和485模块进行通信，将数据远程输入至计算机。其中的ADC口有两个作用：一是可以将金属铂丝放在一起，采集电桥存在的可调电阻无法调平的固定偏置电压，二是将金属铂丝放置距离1m，可以采集两点之间的温差数据。
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定成分或方法。本领域技术人员应可理解，不同地区可能会用不同名词来称呼同一个成分。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分成分的方式。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (1)
1.一种测量天文台址视宁度的装置，其特征在于，包括：
控制模块、压强采集模块、温度采集模块和微温差采集模块；
所述压强采集模块的输出端与所述控制模块的第一输入端电连接，所述温度采集模块的输出端与所述控制模块的第二输入端电连接，所述微温差采集模块的输出端与所述控制模块的第三输入端电连接；所述压强采集模块被配置为能够测量压强；所述温度采集模块被配置为能够测量测空气两点间的平均温度；
所述微温差采集模块包括依次电连接的电桥单元、差分放大单元、绝对值单元、跟随单元和滤波单元，所述滤波单元的输出端为所述微温差采集模块的输出端；所述电桥单元包括两个桥臂，每个桥臂都是固定电阻、铂丝和可调电阻串联，且每个所述桥臂的上桥臂为固定电阻，所述桥臂的下桥臂为铂丝和可调电阻；
所述微温差采集模块还包括开关单元，所述开关单元分别与所述电桥单元的输入端和所述控制模块的第一输出端电连接，所述控制模块通过所述开关单元控制所述电桥单元的通电和断电；
所述开关单元包括三极管，所述三极管的基极与所述控制模块的第一输出端电连接，所述三极管的发射极与所述电桥单元的输入端电连接；
所述微温差采集模块还包括电源单元，所述三极管的集电极与所述电源单元电连接；
还包括上位机，所述上位机的输入端与所述控制模块的第二输出端电连接；
还包括程序烧写单元，所述程序烧写单元的输出端与所述控制模块的第四输入端电连接；
包括装置主体，所述控制模块设置在所述装置主体内，所述微温差采集模块具有两个Y形电路板，每个所述Y形电路板的开口端上设置一个所述铂丝；
所述Y形电路板的另一端通过屏蔽线电连接至所述装置主体；
所述两个所述Y形电路板分别通过屏蔽线连接电连接至所述装置主体；
所述固定电阻的阻值为1KΩ，所述可调电阻的阻值为0-10Ω。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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