氣象探空儀中的數(shù)字壓力傳感器和溫濕度傳感器

氣象預(yù)測(cè)對(duì)日常生活及生產(chǎn)指導(dǎo)具有重要的意義，從古至今人們采用了各種手段來(lái)研究天氣變化，以便用于實(shí)際參考。尤其是在科技文明并不發(fā)達(dá)的農(nóng)耕時(shí)代，天氣條件對(duì)農(nóng)業(yè)和軍事的影響非常大。直到上個(gè)世紀(jì)六十年代以后，氣象衛(wèi)星及相關(guān)先進(jìn)計(jì)算、測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，人工天氣預(yù)報(bào)才有了比較大的進(jìn)步。隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，越來(lái)越多的工具被用到氣象預(yù)測(cè)上，搭載了氣象探空儀的探空氣球便是其中較為廉價(jià)、方便的一種。

探空氣球依靠空氣浮力上升，通過(guò)搭載的各類(lèi)氣象探空儀器收集、測(cè)量所需的數(shù)據(jù)，然后傳回地面中心。其中，溫度傳感器、濕度傳感器和數(shù)字壓力傳感器是這些儀器中比較常見(jiàn)的測(cè)量元件，它們分別用于獲取氣球在上升時(shí)溫濕度和氣壓數(shù)據(jù)。但僅僅只測(cè)量是還不夠的，同時(shí)還需要知道測(cè)量所在的區(qū)域。因此，還需要通過(guò)GPS模塊來(lái)確定探空氣球的經(jīng)緯度。而后，再結(jié)合由氣壓推算出的海拔高度，這才算是做到了真正的三維空間氣象數(shù)據(jù)測(cè)量。

我國(guó)新型探空火箭研發(fā)

2016年5月，為掌握海上災(zāi)害性天氣的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，提高海洋氣象災(zāi)害的預(yù)報(bào)精度，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所無(wú)人艇研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功研制了一種基于自控駕駛的半潛式海洋氣象觀測(cè)專(zhuān)用無(wú)人艇。

該艇是一種自動(dòng)駕駛的水面機(jī)器人，是世界上首艘可以發(fā)射探空火箭的無(wú)人艇?；谛l(wèi)星定位導(dǎo)航和艇載姿態(tài)傳感器等信息，該艇可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)部署、自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)發(fā)射探空火箭和自動(dòng)傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)等功能。

該艇可通過(guò)發(fā)射探空火箭，將下投式探空儀發(fā)射至指定高度，在探空儀下落過(guò)程中對(duì)中下對(duì)流層進(jìn)行高精度的探測(cè)。通過(guò)探空儀攜帶的各類(lèi)傳感器元件（溫濕度傳感器、數(shù)字壓力傳感器等），可準(zhǔn)確獲取海洋邊界層內(nèi)高垂直分辨的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向廓線。

探空氣球的工作原理

那么，探空氣球究竟是什么東西呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，作為一個(gè)載體，氣球攜帶探空儀升空，在上升過(guò)程中，探空儀測(cè)定不同高度和經(jīng)緯度的溫度、氣壓、空氣濕度等氣象數(shù)據(jù)，并將其通過(guò)無(wú)線電信號(hào)發(fā)回地面。具體來(lái)說(shuō)，探空儀設(shè)備上的綠色部分為探空儀采集板，連接采集板的是探臂，在探臂和采集板上共有溫度、濕度和壓力傳感器，一共是三個(gè)傳感器。

在我國(guó)，目前有120個(gè)氣象探空站，每天都會(huì)進(jìn)行兩次探空氣球的放飛。收集到的數(shù)據(jù)不僅用于我國(guó)的氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，還用于國(guó)際氣象數(shù)據(jù)交換。這也意味著，每天我國(guó)至少需要使用240個(gè)探空儀，每年需要至少8.76萬(wàn)個(gè)。

探空儀中的傳感器原理與制造

總的來(lái)說(shuō)，氣象高空探空儀，由對(duì)溫度、氣壓、濕度反應(yīng)靈敏的傳感器感應(yīng)元件及轉(zhuǎn)換電路組成。其中，數(shù)字壓力傳感器等元件的電參量隨著空氣中的溫度、氣壓、濕度的變化而變化。而轉(zhuǎn)換電路則對(duì)變化的電參量進(jìn)行采集、編碼而形成探空數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)探空儀發(fā)射機(jī)發(fā)回地面，雷達(dá)把探空數(shù)據(jù)接收下來(lái)，就得到空中不同高度的溫度、氣壓和濕度3個(gè)氣象要素的資料了。

關(guān)于壓力傳感器的選擇工采網(wǎng)給出的解決方案是可以用MS5607型號(hào)的，

美國(guó)MEAS 高分辨率數(shù)字壓力傳感器 - MS5607-02BA03

該數(shù)字壓力傳感器與以往的MS5534/5540//5561相比壓力的分辨率由0.1mbar（1米）提升到了0.024mbar(20cm),溫度分辨率由0.01°C提高到了0.002°C，轉(zhuǎn)換時(shí)間由之前的35ms提高到了1ms。同時(shí)測(cè)量范圍由10-1100mbar擴(kuò)大到了10-1200mbar。

精度并沒(méi)有提高，仍舊是+/-1.5mbar。功耗由以前的4μA降低到了1μA。不管是MS5534/5540還是MS5561，他們的16位信號(hào)均是采用的三線SPI傳輸。而MS5607的24位數(shù)據(jù)可以選擇SPI或者I2C的方式進(jìn)行信號(hào)傳輸。

溫濕度傳感器可以選擇法國(guó)Humirel 數(shù)字輸出溫濕度傳感器HTU21D：

新款數(shù)字式溫濕度復(fù)合傳感器HTU21D樹(shù)立了新的濕度傳感器的尺寸和智能化典范：采用適合回流焊的DFN封裝，尺寸僅為3 x 3 x 1mm；提供經(jīng)過(guò)校正的，線性的I?C數(shù)字輸出信號(hào)。完全可互換，無(wú)需重新校正，長(zhǎng)期飽和后迅速恢復(fù)，單獨(dú)標(biāo)識(shí)，符合嚴(yán)格的追溯要求 。

在探空儀制造過(guò)程中，從出廠到升空，需要對(duì)儀器進(jìn)行性能測(cè)試。比如，通過(guò)壓縮機(jī)和真空泵，改變箱體的溫度和壓力，模擬大氣壓，來(lái)對(duì)壓力傳感器準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試；利用恒溫槽進(jìn)行制冷循環(huán)，模擬出氣溫變化，從而對(duì)溫度傳感器的性能進(jìn)行測(cè)試；還會(huì)將濕度傳感器放入溫濕度檢測(cè)箱，對(duì)其進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)。此外，還會(huì)對(duì)探空儀進(jìn)行無(wú)線電信號(hào)測(cè)試，以檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)能否準(zhǔn)確發(fā)射。