CN110836731A - 一种基于数字传感芯片的温度脉动仪 - Google Patents

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于龙昆
沈红
卢芊芊
何冰
路昌炜
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Abstract

本发明公开了一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，包括有数字式温度传感器芯片、单片机微控制模块、数据显示及存储模块，所述单片机微控制模块分别与数字式温度传感器芯片、数据显示及存储模块电性连接；所述数字式温度传感器芯片的数量为两个，所述数字式温度传感器芯片包括有温度传感元件和信号处理专用芯片。本发明利用数字传感器芯片代替传统的细金属丝检测温度，省去了对微弱模拟信号的检测环节，提高了现有温度脉动仪的集成度及抗干扰能力；解决了现有温度脉动仪细金属丝极易折断、携带及更换不方便的难题；数字传感器芯片有市面上的成熟产品使用，基于MEMS工艺制造，稳定性一致性好、成本低、功耗低、易于集成、且产品性价比更高。

Description

一种基于数字传感芯片的温度脉动仪
技术领域
本发明属于大气光学技术领域，具体涉及一种基于数字传感芯片的温度脉动仪。
背景技术
大气光学领域用大气折射率结构常数Cn 2描叙大气光学湍流强度，实时测量Cn 2对在大气中工作各种光学系统(如无线光通信、高能激光传输、高分辨成像、自适应光学输等)的设计与性能评估具有重要意义。常用的测量仪器是温度脉动仪，其原理是，先测量两点温差的脉动，再利用公式(1)得到Cn 2。
Figure BDA0002263520200000011
式中，P为大气压，单位hPa；T为大气温度，单位K；r为空间两点的距离，单位m；T1、T2为相距为r的两探测点的温度值，单位K，<>表示对统计样本取平均。
现有温度脉动仪(参考专利ZL03132245.X、ZL201110425321.2、ZL201210499606.5及文献“湍流气象探空仪的研制及其性能分析[J].强激光与粒子束,2009,21(2)”)通常采用细金属丝(如铂丝)作为温度传感器件(金属丝阻值随温度变化)，惠斯通电桥输出两点温度差值信号，微弱电桥信号经过后续放大、滤波等电路检测出来，得到温差值。温差测量灵敏度一般在0.002℃，对应Cn 2量级为10-18m-2/3。此类温度脉动仪测量的是微弱模拟信号，对后续信号检测电路的设计及抗干扰能力要求较高。另外，作为温度传感元件的细金属丝一般是人工制作的，一致性要求高，且极易折断，携带及更换均不方便。
随着微机电系统(MEMS)工艺的发展，基于MEMS工艺的数字式传感器性能稳步提升，且具有一致性好、成本低、功耗低、易于集成等优点。可以考虑将数字式温度传感器直接作为温度脉动仪的温度传感单元。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，包括有数字式温度传感器芯片、单片机微控制模块、数据显示及存储模块，所述单片机微控制模块分别与数字式温度传感器芯片、数据显示及存储模块电性连接；
所述数字式温度传感器芯片的数量为两个，所述数字式温度传感器芯片包括有温度传感元件和信号处理专用芯片。
优选的，所述信号处理专用芯片包括有信号放大单元、数据校准单元、模数转换单元及通信接口单元。
优选的，所述通信接口单元包括有I2C或SPI总线。
优选的，所述数字式温度传感器芯片的温度分辨力不低于0.002℃，且采样频率不低于30Hz。
优选的，所述数字式温度传感器芯片的型号为MEMS传感器BMP280或BMP380。
优选的，所述单片机微控制模块的数字I/O口的数量至少为两个，且其外设接口连接所述数据显示及存储模块。
优选的，所述数据显示及存储模块包括有LCD或LED显示屏、及用于存储的SD卡或TF卡。
优选的，所述数据显示及存储模块包括有个人计算机，其通过USB口与单片机微控制模块进行通信连接，将单片机微控制模块处理的数据进行显示并保存处理。
有益效果：
(1)本发明的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，利用数字传感器芯片代替传统的细金属丝检测温度，省去了对微弱模拟信号的检测环节，提高了现有温度脉动仪的集成度及抗干扰能力。
(2)本发明的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，解决了现有温度脉动仪细金属丝极易折断、携带及更换不方便的难题。
(3)本发明的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，数字传感器芯片有市面上的成熟产品使用，基于MEMS工艺制造，稳定性一致性好、成本低、功耗低、易于集成、且产品性价比更高。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图。
图2为本发明所涉一种具体实施例的整体结构框图。
图3为本发明实施例测量的大气折射率结构常数的日变化图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1-3所示，一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，包括有数字式温度传感器芯片、单片机微控制模块、数据显示及存储模块，所述单片机微控制模块分别与数字式温度传感器芯片、数据显示及存储模块电性连接；
所述数字式温度传感器芯片的数量为两个，所述数字式温度传感器芯片包括有温度传感元件和信号处理专用芯片；
所述信号处理专用芯片包括有信号放大单元、数据校准单元、模数转换单元及通信接口单元。
所述通信接口单元包括有I2C或SPI总线。
所述数字式温度传感器芯片的温度分辨力不低于0.002℃，且采样频率不低于30Hz。
所述数字式温度传感器芯片的型号为MEMS传感器BMP280或BMP380。
所述单片机微控制模块的数字I/O口的数量至少为两个，且其外设接口连接所述数据显示及存储模块。
所述数据显示及存储模块包括有LCD或LED显示屏、及用于存储的SD卡或TF卡。
所述数据显示及存储模块包括有个人计算机，其通过USB口与单片机微控制模块进行通信连接，将单片机微控制模块处理的数据进行显示并保存处理。
工作原理：将两个所述数字式温度传感芯片分别放在相距为r(一般取0.75m)的两个探测点上，所述微控制模块通过数字通信接口(I2C或SPI等)获取该2个数字传感芯片的温度差数据T1–T2，并同时获取大气压数据P(另接大气压传感器或选取带大气压检测功能的数字温度传感芯片)，然后根据公式(1)计算出大气折射率结构常数Cn 2，最后将计算结果通过连接的所述数据显示及存储模块进行显示并存储。
上述组成温度脉动仪的三大模块硬件均有多种可供选择的产品。为了测试该发明的有效性，我们选择如图2所示的产品搭建了基于数字传感芯片的温度脉动仪的一种实施例。具体为，数字传感芯片选择博世公司的BMP280(该芯片可同时测量温度和气压)，单片机微控制模块选择Arduino UNO R3开发板，数据显示及存储模块选择个人计算机。微控制模块Arduino UNO R3通过SPI接口与两个数字传感芯片BMP280通信，获取温度及气压数据，通过USB接口与计算机通信，将运算得到的Cn 2数据显示并保存。
上述基于数字传感芯片的温度脉动仪实施例制作完成后，我们进行了多天的连续测量，剔除异常值，并对测量数据取3分钟平均，所测结果量级及趋势均符合近地面大气湍流强度日变化规律，由此证明该发明的有效性。如图3为2019年7月26日所测得的Cn 2日变化图。
本发明的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，利用数字传感器芯片代替传统的细金属丝检测温度，省去了对微弱模拟信号的检测环节，提高了现有温度脉动仪的集成度及抗干扰能力。
本发明的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，解决了现有温度脉动仪细金属丝极易折断、携带及更换不方便的难题。
本发明的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，数字传感器芯片有市面上的成熟产品使用，基于MEMS工艺制造，稳定性一致性好、成本低、功耗低、易于集成、且产品性价比更高。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。

Claims (8)

1.一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，其特征在于：
包括有数字式温度传感器芯片、单片机微控制模块、数据显示及存储模块，所述单片机微控制模块分别与数字式温度传感器芯片、数据显示及存储模块电性连接；
所述数字式温度传感器芯片的数量为两个，所述数字式温度传感器芯片包括有温度传感元件和信号处理专用芯片。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，其特征在于：
所述信号处理专用芯片包括有信号放大单元、数据校准单元、模数转换单元及通信接口单元。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，其特征在于：
所述通信接口单元包括有I2C或SPI总线。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，其特征在于：
所述数字式温度传感器芯片的温度分辨力不低于0.002℃，且采样频率不低于30Hz。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，其特征在于：
所述数字式温度传感器芯片的型号为MEMS传感器BMP280或BMP380。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，其特征在于：
所述单片机微控制模块的数字I/O口的数量至少为两个，且其外设接口连接所述数据显示及存储模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，其特征在于：
所述数据显示及存储模块包括有LCD或LED显示屏、及用于存储的SD卡或TF卡。
8.根据权利要求1所述的一种基于数字传感芯片的温度脉动仪，其特征在于：
所述数据显示及存储模块包括有个人计算机，其通过USB口与单片机微控制模块进行通信连接，将单片机微控制模块处理的数据进行显示并保存处理。
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