CN207281311U - 一种大气要素探测仪及大气要素探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大气要素探测仪，其中，包括壳体、数据采集器、温湿压一体式传感器、上行太阳辐射传感器、下行太阳辐射传感器、姿态控制器、GPS传感器、通信模块和旋转平衡机构，壳体包括侧壁、与侧壁可拆卸连接的顶盖以及与侧壁固定连接的底盖，侧壁、顶盖和底盖围成空腔，数据采集器、温湿压一体式传感器、姿态控制器、GPS传感器和通信模块均设置在底盖上，顶盖上设置有下行太阳辐射传感器，底盖上设置有上行太阳辐射传感器，温湿压一体式传感器、太阳辐射传感器、姿态控制器、GPS传感器和通信模块均与数据采集器连接。本实用新型还公开了一种大气要素探测系统。本实用新型提供的大气要素探测仪能够实现对高空多大气要素的观测。

Description

一种大气要素探测仪及大气要素探测系统

技术领域

本实用新型涉及大气探测技术领域，尤其涉及一种大气要素探测仪及包括该大气要素探测仪的大气要素探测系统。

背景技术

综合气象观测是我国气象事业发展的基础，是现代气象业务体系的重要组成部分，在国家防灾减灾和应对气候变化中占有重要地位。高空气象观测作为综合气象观测系统的重要组成部分，可为天气系统分析预报和气候变化监测评估提供基础观测数据，对降低自然灾害风险起重要作用。目前，大气探测技术朝着高精度、多功能和小型化趋势发展，探测仪器的稳定性和精度将直接影响观测资料的质量。地面至高空约12公里的大气对流层集中了约75％的大气质量和90％以上的水汽质量，是大气层中与人类关系最为密切的一层。高时空分辨率和高精度的对流层区域多大气要素垂直分布特征观测是气候变化研究的重要基础和手段，亟需开展观测技术研究，研发相关观测仪器将有助于认知对流层区域的一些关键科学问题。

发明内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种大气要素探测仪及包括该大气要素探测仪的大气要素探测系统。，以解决现有技术中的问题。

作为本实用新型的第一个方面，提供一种大气要素探测仪，其中，所述大气要素探测仪能够在地面至高空12公里对流层区域进行探测，所述大气要素探测仪包括壳体、数据采集器、温湿压一体式传感器、上行太阳辐射传感器、下行太阳辐射传感器、姿态控制器、GPS传感器、通信模块和旋转平衡机构，所述壳体包括侧壁、与所述侧壁可拆卸连接的顶盖以及与所述侧壁固定连接的底盖，所述侧壁、所述顶盖和所述底盖围成空腔，所述数据采集器、温湿压一体式传感器、姿态控制器、GPS传感器和通信模块均设置在所述底盖上，且位于所述空腔内，所述顶盖上设置有下行太阳辐射传感器，所述底盖上设置有所述上行太阳辐射传感器，且所述下行太阳辐射传感器和所述上行辐射传感器均位于所述空腔外，所述温湿压一体式传感器、太阳辐射传感器、姿态控制器、GPS传感器和通信模块均与所述数据采集器连接，

所述温湿压一体式传感器能够采集地面至高空12公里的温度、湿度和气压，

所述姿态控制器能够采集所述大气要素探测仪在地面至高空12公里的姿态信息，

所述GPS传感器能够对所述大气要素探测仪在升空过程中进行定位，

所述数据采集器能够将所述温湿压一体式传感器、太阳辐射传感器、姿态控制器和GPS传感器采集到的数据通过所述通信模块发送至上位机，所述旋转平衡机构设置在所述壳体上。

优选地，所述下行太阳辐射传感器包括第一长波辐射传感器和第一短波辐射传感器，所述上行太阳辐射传感器包括第二短波辐射传感器和第二长波辐射传感器，所述第一长波辐射传感器和所述第一短波辐射传感器均设置在所述顶盖上，且所述第一长波辐射传感器和所述第一短波辐射传感器能够采集下行太阳辐射，所述第二短波辐射传感器和所述第二长波辐射传感器均设置在所述底盖上，且所述第二短波辐射传感器和所述第二长波辐射传感器能够采集上行太阳辐射。

优选地，所述姿态控制器包括数字罗盘、磁阻传感器和两轴倾斜传感器，所述数字罗盘、磁阻传感器和两轴倾斜传感器均与所述数据采集器连接。

优选地，所述数据采集器包括ZQZ-BH2数据采集器。

优选地，所述旋转平衡机构包括相互垂直的横轴和竖轴，所述竖轴贯穿所述底盖和所述顶盖设置，所述横轴的两端通过轴承固定在所述侧壁上。

优选地，所述大气要素探测仪还包括电池，所述电池与所述数据采集器连接，用于向所述数据采集器提供电能。

优选地，所述通信模块包括无线通信模块。

优选地，所述壳体的侧壁为椭圆形侧壁。

作为本实用新型的第二个方面，提供一种大气要素探测系统，其中，所述大气要素探测系统包括前文所述的大气要素探测仪、上位机和至少一个探空气球，所述大气要素探测仪与所述上位机通信连接，所述探空气球与所述大气要素探测仪的竖轴连接。

优选地，所述大气要素探测系统包括两个探空气球，且所述探空气球均充有氦气。

本实用新型提供的大气要素探测仪，设置有多种传感器，能够对多大气要素进行垂直廓线探测，有效探测对流层区域的温度、湿度、气压、风向、风速和太阳辐射的垂直结构特征。本实用新型提供的大气要素探测仪在提高大气综合探测技术的基础上，能够有助于推进对流层区域大气热动力分布特征及其机理的观测研究，并为气象预报、大气环境监测等现代气象观测系统建设和发展提供良好的技术支撑和保障。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型提供的大气要素探测仪的一种立体结构示意图。

图2为本实用新型提供的大气要素探测仪的A-A向结构示意图。

图3为本实用新型提供的大气要素探测仪的底盖的结构示意图。

图4为本实用新型提供的大气要素探测仪的另一种立体结构示意图。

图5为本实用新型提供的大气要素探测仪的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

作为本实用新型的第一个方面，提供一种大气要素探测仪，其中，所述大气要素探测仪能够在地面至高空12公里对流层区域进行探测，如图1至图3所示，所述大气要素探测仪包括壳体1、数据采集器12、温湿压一体式传感器5、上行太阳辐射传感器、下行太阳辐射传感器、姿态控制器11、GPS传感器10、通信模块13和旋转平衡机构，所述壳体1包括侧壁、与所述侧壁可拆卸连接的顶盖以及与所述侧壁固定连接的底盖，所述侧壁、所述顶盖和所述底盖围成空腔，所述数据采集器12、温湿压一体式传感器5、姿态控制器11、GPS传感器10和通信模块13均设置在所述底盖上，且位于所述空腔内，所述顶盖上设置有下行太阳辐射传感器，所述底盖上设置有所述上行太阳辐射传感器，且所述下行太阳辐射传感器和所述上行辐射传感器均位于所述空腔外，所述温湿压一体式传感器5、太阳辐射传感器、姿态控制器11、GPS传感器10和通信模块13均与所述数据采集器12连接，所述温湿压一体式传感器5能够采集地面至高空12公里的温度、湿度和气压，所述姿态控制器11能够采集所述大气要素探测仪在地面至高空12公里的姿态信息，所述GPS传感器10能够对所述大气要素探测仪在升空过程中进行定位，所述数据采集器12能够将所述温湿压一体式传感器5、太阳辐射传感器、姿态控制器11和GPS传感器10采集到的数据通过所述通信模块13发送至上位机，所述旋转平衡机构设置在所述壳体1上。

本实用新型提供的大气要素探测仪，设置有多种传感器，能够对多大气要素进行垂直廓线探测，有效探测对流层区域的温度、湿度、气压、风向、风速和太阳辐射的垂直结构特征。本实用新型提供的大气要素探测仪在提高大气综合探测技术的基础上，能够有助于推进对流层区域大气热动力分布特征及其机理的观测研究，并为气象预报、大气环境监测等现代气象观测系统建设和发展提供良好的技术支撑和保障。

需要说明的是，所述温湿压一体式传感器5为轻巧的小型变送器，采用紧凑式包装，内含温度、湿度和气压传感器，可提供温度、湿度和气压三种常规气象参数。气压、温度和湿度传感器的测量原理基于一个高级电阻-电容震荡器和两个基准电容器，这些传感器的电容将根据这两个基准电容器持续测量。变送器的微处理器会针对气压传感器和湿度传感器的温度依赖性进行补偿。气压、温度和湿度参数测量分别使用电容性硅传感器、电容性陶瓷传感器和电容性高分子薄膜传感器。

还需要说明的是，所述GPS传感器10提供整套探测仪升空过程中的GPS信息，包括经度、纬度和海拔高度数据。所述大气要素探测仪提供的风速和风向信息是利用GPS传感器定位在相邻时刻的水平位置变化量计算得出。

具体地，作为所述太阳辐射传感器的具体实施方式，为了实现大气要素探测仪在升空过程中对太阳辐射这一特征的探测，所述下行太阳辐射传感器包括第一长波辐射传感器6和第一短波辐射传感器7，所述上行太阳辐射传感器包括第二短波辐射传感器8和第二长波辐射传感器9，所述第一长波辐射传感器6和所述第一短波辐射传感器7均设置在所述顶盖上，且所述第一长波辐射传感器6和所述第一短波辐射传感器7能够采集下行太阳辐射，所述第二短波辐射传感器8和所述第二长波辐射传感器9均设置在所述底盖上，且所述第二短波辐射传感器8和所述第二长波辐射传感器9能够采集上行太阳辐射。

所述第一长波辐射传感器6、第二长波辐射传感器9、第一短波辐射传感器7和第二短波辐射传感器8均为具有高测量精度的一级辐射传感器。其中，所述第一短波辐射传感器7和所述第二短波辐射传感器8的波长范围均为300nm～2800nm；所述第一长波辐射传感器6和所述第二长波辐射传感器9的波长范围均为4500nm～50000nm。太阳辐射传感器测量计算太阳辐射值方法如下：所述第一短波辐射传感器7和所述第二短波辐射传感器8均为2线电压输出，测量的短波辐射值为其中，R_S为太阳短波辐射值，单位为W/m²；V_S为测量电压值，单位为V；X_S为短波辐射传感器灵敏度，单位为V/(W/m²)。所述第一长波辐射传感器6和所述第二长波辐射传感器9测量包括2线电压输出和2线温度输出。太阳长波辐射值测量计算公式为其中，R_L为长波辐射值，单位为W/m²；V_L为测量电压值，单位为V；X_L为辐射传感器灵敏度，单位为V/(W/m²)；T为长波辐射传感器温度，单位为℃。太阳辐射传感器安装方法如下：对于感应面朝上的第一短波辐射传感器7和第一长波辐射传感器6，利用各个传感器颈部的平面，从顶盖的内侧朝上安装。对于感应面朝下的第二短波辐射传感器8和第二长波辐射传感器9，利用各个传感器底部的平面，在底盖外侧朝下安装。因此，大气要素探测仪的上表面形成朝上辐射探测感应面，在探测仪架体的下表面形成朝下辐射探测感应面，朝下辐射探测感应面与朝上辐射探测感应面呈相互平行的水平状态，在朝上辐射探测感应面上设置用于测量天空向下辐射的下行太阳辐射探测传感器，在朝下辐射探测感应面上设置用于测量地面向上辐射的上行太阳辐射探测传感器。设计上下两种不同安装结构，主要是考虑尽可能降低系统重心，增加系统阻尼，提高系统整体的稳定性。设计结构保证朝上和朝下两组辐射传感器的感应面高度一致，各辐射传感器的中心距离不小于180mm，各辐射传感器的遮挡角小于5°。

需要说明的是，所述下行太阳辐射指的是自天空向下的太阳辐射，所述上行太阳辐射指的是自地面向上的太阳辐射。

具体地，所述数据采集器12可以直接接入需要测量的温湿压一体式传感器5和太阳辐射传感器进行测量。大气要素探测仪每1秒钟提供一组探测数据，包括温度、湿度、气压、风向、风速、太阳辐射传感器的辐射数据、GPS数据和探测仪姿态数据，均存储于所述数据采集器12内部的存储卡中。

具体地，所述通信模块13将数据采集器12存储的温度、湿度、气压、风向、风速、太阳辐射、GPS数据和探测仪姿态数据转换为无线电信号实时发送至地面的上位机接收。

优选地，所述姿态控制器11包括数字罗盘、磁阻传感器和两轴倾斜传感器，所述数字罗盘、磁阻传感器和两轴倾斜传感器均与所述数据采集器12连接。

具体地，所述姿态控制器11包含数字罗盘、磁阻传感器和两轴倾斜传感器来提供精准的仪器姿态信息。姿态数据包括仪器航向、磁场状态、垂直方向和水平方位，可在仪器开始探测之前进行设置。数字罗盘内部均为表面贴装元件，无任何可移动元件，设计可靠耐用。姿态控制器11功耗低、体积小，外部为非铁磁性金属外壳，便于安装固定在壳体1的底盖上。所述数字罗盘使用RS232串口线连接于数据采集器12，存储仪器姿态信息。具体实施时，在所述大气要素探测仪升空过程中，如出现倾斜角度过大的情况，可以将该位置状态下的辐射数据剔除，也可以对该辐射测量值进行误差修正来得到准确的辐射值，在进行误差修正时，可以采用本技术领域常用的方式，具体可以根据需要进行选择。

优选地，所述数据采集器12包括ZQZ-BH2数据采集器。

该ZQZ-BH2数据采集器基于ARM7硬件平台UC/OS多任务操作系统设计，完成基本的数据采集与计算、数据质量控制、报文存储、通信等功能。

优选地，如图1、图4和图5所示，所述旋转平衡机构包括相互垂直的横轴2和竖轴4，所述竖轴4贯穿所述底盖和所述顶盖设置，所述横轴2的两端通过轴承3固定在所述侧壁上。

具体地，大气要素测仪实施观测时，所述壳体1会用绳子悬挂于至少1个探空气球下方50米处，优选地，为了能够对大气要素探测仪进行回收利用，可以悬挂于2个探空气球下方，从地面开始升空至约12公里，观测大气对流层区域不同高度处的温度、湿度、气压、风向、风速和太阳辐射垂直廓线。在壳体1上加载太阳辐射传感器进行测量时，传感器的水平状态是获取高质量观测数据的基础。为了避免大气要素探测仪升空观测过程中受到大气湍流的影响而可能失去平衡，大气要素探测仪通常使用双气球携带升空，可以较好的保证仪器平衡状态；此外，大气要素探测仪的摆动臂较长(50米)，壳体摆动频率较低，太阳辐射传感器感应面会较长时间处于(准)水平状态，有助于取得高质量的太阳辐射观测数据。因此，旋转平衡机构只需保证传感器安装平台重心居中，辐射传感器感应面不倾斜即可。为实现传感器安装平台自动调平，旋转平衡机构转动轴由横轴和竖轴组成。横轴由钢材制成，较好的抗弯强度可以防止承受重力或拉力后弯曲变形。横轴两端安装轴承，横轴两侧出现倾斜时，会自动调整平衡。横轴转动范围较大，可以保证在系留绳子最大45°倾斜的情况下，壳体1仍能自动调整平衡。竖轴分为上下两段，均为铝合金材料制成，与横轴十字连接处安装轴承。当横轴两端出现倾斜时，会自动转动至水平。此外，横轴设计可以减少因绳索扭矩造成的平台转动。由于平台上安装的器件质量各异，在平台底面设置两个方向垂直、可以滑动的滑块，以便系统装配完成后调整系统重心，保证重心保持在竖轴所在的铅垂线中心线上。

优选地，所述大气要素探测仪还包括电池14，所述电池14与所述数据采集器12连接，用于向所述数据采集器12提供电能。

具体地，所述大气要素探测仪的供电电源为12V锂电池，消耗电流＜150mA/12V，使用2Ah/12V标称锂电池，可保证大气要素探测仪的单次测量时间达到3小时。

优选地，所述通信模块包括无线通信模块。

优选地，所述壳体1的侧壁为椭圆形侧壁。

具体地，所述壳体1的侧壁在保证强度的前提下四周镂空以减少自身载荷，可以减少盒体在大气中的风阻，进而减少壳体1因风吹而转动的可能性。所述壳体1表面喷塑保护，并采取加罩有机玻璃保护罩的措施，防止内部放置的数据采集器等被雨水打淋。所述壳体1的上、下用于系绳的吊环位于太阳辐射传感器的中心位置，可以最大限度的减少绳索阴影对太阳辐射观测数据的影响。

本实用新型提供的大气要素探测仪，具有结构简单紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，适应范围广，安全可靠的优势。

作为本实用新型的第二个方面，提供一种大气要素探测系统，其中，所述大气要素探测系统包括前文所述的大气要素探测仪、上位机和至少一个探空气球，所述大气要素探测仪与所述上位机通信连接，所述探空气球与所述大气要素探测仪的竖轴连接。

本实用新型提供的大气要素探测系统，由探空气球携带升空，可有效探测对流层区域温度、湿度、气压、风向、风速和太阳辐射的垂直结构特征。该发明在提高大气综合探测技术的基础上，能有助于推进对流层区域大气热动力分布特征及其机理的观测研究，并为气象预报、大气环境监测等现代气象观测系统建设和发展提供良好的技术支撑和保障。

优选地，所述大气要素探测系统包括两个探空气球，且所述探空气球均充有氦气。

本实用新型提供的大气要素探测系统的工作原理为，所述大气要素探测仪包括温湿压一体式传感器、长波和短波太阳辐射传感器、数据采集器、姿态控制传感器、GPS(全球定位系统)传感器、无线通信模块、电源、壳体和旋转平衡机构组成。所述大气要素探测仪由探空气球携带升空，探测地面至高空12公里对流层区域温度、湿度、气压、风向、风速、长波和短波波段太阳辐射的垂直廓线。为获取高精度观测数据，壳体姿态需水平平稳，以保证辐射传感器感应面位置垂直。所述大气要素探测仪由2个充有氦气的探空气球携带升空。相比常规气象探空使用的单个气球，使用双气球能保障整套探测仪在空中姿态更为稳定、上升速度更为平稳，从而减少探测仪在空中摇摆、打转。通过控制探空气球内充氦气容量来保证仪器上升速度约为300米/分钟。在连接其中一个探空气球的绳子顶部放置定时切割器，设定大气要素探测仪升空40分钟后切断连接绳，放飞一个探空气球，此时大气要素探测仪所处高度约为12公里。剩余的另一探空气球浮力不足以支持大气要素探测仪的重量，大气要素探测仪开始下降。剩余气球在大气要素探测仪下落过程中充当降落伞作用，缓慢下降以保护仪器安全平稳着地，便于仪器回收使用。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种大气要素探测仪，其特征在于，所述大气要素探测仪能够在地面至高空12公里对流层区域进行探测，所述大气要素探测仪包括壳体（1）、数据采集器（12）、温湿压一体式传感器（5）、上行太阳辐射传感器、下行太阳辐射传感器、姿态控制器（11）、GPS传感器（10）、通信模块（13）和旋转平衡机构，所述壳体（1）包括侧壁、与所述侧壁可拆卸连接的顶盖以及与所述侧壁固定连接的底盖，所述侧壁、所述顶盖和所述底盖围成空腔，所述数据采集器（12）、温湿压一体式传感器（5）、姿态控制器（11）、GPS传感器（10）和通信模块（13）均设置在所述底盖上，且位于所述空腔内，所述顶盖上设置有下行太阳辐射传感器，所述底盖上设置有所述上行太阳辐射传感器，且所述下行太阳辐射传感器和所述上行太阳辐射传感器均位于所述空腔外，所述温湿压一体式传感器（5）、太阳辐射传感器、姿态控制器（11）、GPS传感器（10）和通信模块（13）均与所述数据采集器（12）连接，

所述温湿压一体式传感器（5）能够采集地面至高空12公里的温度、湿度和气压，

所述姿态控制器（11）能够采集所述大气要素探测仪在地面至高空12公里的姿态信息，

所述GPS传感器（10）能够对所述大气要素探测仪在升空过程中进行定位，

所述数据采集器（12）能够将所述温湿压一体式传感器（5）、太阳辐射传感器、姿态控制器（11）和GPS传感器（10）采集到的数据通过所述通信模块（13）发送至上位机，所述旋转平衡机构设置在所述壳体（1）上。

2.根据权利要求1所述的大气要素探测仪，其特征在于，所述下行太阳辐射传感器包括第一长波辐射传感器（6）和第一短波辐射传感器（7），所述上行太阳辐射传感器包括第二短波辐射传感器（8）和第二长波辐射传感器（9），所述第一长波辐射传感器（6）和所述第一短波辐射传感器（7）均设置在所述顶盖上，且所述第一长波辐射传感器（6）和所述第一短波辐射传感器（7）能够采集下行太阳辐射，所述第二短波辐射传感器（8）和所述第二长波辐射传感器（9）均设置在所述底盖上，且所述第二短波辐射传感器（8）和所述第二长波辐射传感器（9）能够采集上行太阳辐射。

3.根据权利要求1所述的大气要素探测仪，其特征在于，所述姿态控制器（11）包括数字罗盘、磁阻传感器和两轴倾斜传感器，所述数字罗盘、磁阻传感器和两轴倾斜传感器均与所述数据采集器（12）连接。

4.根据权利要求1所述的大气要素探测仪，其特征在于，所述数据采集器包括ZQZ-BH2数据采集器。

5.根据权利要求1所述的大气要素探测仪，其特征在于，所述旋转平衡机构包括相互垂直的横轴（2）和竖轴（4），所述竖轴（4）贯穿所述底盖和所述顶盖设置，所述横轴（2）的两端通过轴承（3）固定在所述侧壁上。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的大气要素探测仪，其特征在于，所述大气要素探测仪还包括电池（14），所述电池（14）与所述数据采集器（12）连接，用于向所述数据采集器（12）提供电能。

7.根据权利要求6所述的大气要素探测仪，其特征在于，所述通信模块（13）包括无线通信模块。

8.根据权利要求6所述的大气要素探测仪，其特征在于，所述壳体（1）的侧壁为椭圆形侧壁。

9.一种大气要素探测系统，其特征在于，所述大气要素探测系统包括权利要求1至8中任意一项所述的大气要素探测仪、上位机和至少一个探空气球，所述大气要素探测仪与所述上位机通信连接，所述探空气球与所述大气要素探测仪的竖轴连接。

10.根据权利要求9所述的大气要素探测系统，其特征在于，所述大气要素探测系统包括两个探空气球，且所述探空气球均充有氦气。