气象预测对日常生活及生产指导具有重要的意义,从古至今人们采用了各种手段来研究天气变化,以便用于实际参考。尤其是在科技文明并不发达的农耕时代,天气条件对农业和军事的影响非常大。直到上个世纪六十年代以后,气象卫星及相关先进计算、测量技术的出现,人工天气预报才有了比较大的进步。随着社会的进步和发展,越来越多的工具被用到气象预测上,搭载了气象探空仪的探空气球便是其中较为廉价、方便的一种。
 
探空气球依靠空气浮力上升,通过搭载的各类气象探空仪器收集、测量所需的数据,然后传回地面中心。其中,温度传感器、湿度传感器和数字压力传感器是这些仪器中比较常见的测量元件,它们分别用于获取气球在上升时温湿度和气压数据。但仅仅只测量是还不够的,同时还需要知道测量所在的区域。因此,还需要通过 GPS 模块来确定探空气球的经纬度。而后,再结合由气压推算出的海拔高度,这才算是做到了真正的三维空间气象数据测量。
 
 
我国新型探空火箭研发
2016 年 5 月,为掌握海上灾害性天气的发生和发展过程,提高海洋气象灾害的预报精度,中国科学院大气物理研究所无人艇研发团队成功研制了一种基于自控驾驶的半潜式海洋气象观测专用无人艇。
 
该艇是一种自动驾驶的水面机器人,是世界上首艘可以发射探空火箭的无人艇。基于卫星定位导航和艇载姿态传感器等信息,该艇可实现自动部署、自动观测、自动发射探空火箭和自动传输观测数据等功能。
 
该艇可通过发射探空火箭,将下投式探空仪发射至指定高度,在探空仪下落过程中对中下对流层进行高精度的探测。通过探空仪携带的各类传感器元件(温湿度传感器、数字压力传感器等),可准确获取海洋边界层内高垂直分辨的温度、湿度、气压、风速和风向廓线。
 
探空气球的工作原理
 
那么,探空气球究竟是什么东西呢?简单来说,作为一个载体,气球携带探空仪升空,在上升过程中,探空仪测定不同高度和经纬度的温度、气压、空气湿度等气象数据,并将其通过无线电信号发回地面。具体来说,探空仪设备上的绿色部分为探空仪采集板,连接采集板的是探臂,在探臂和采集板上共有温度、湿度和压力传感器,一共是三个传感器。
 
在我国,目前有 120 个气象探空站,每天都会进行两次探空气球的放飞。收集到的数据不仅用于我国的气象预报业务,还用于国际气象数据交换。这也意味着,每天我国至少需要使用 240 个探空仪,每年需要至少 8.76 万个。
 
探空仪中的传感器原理与制造
总的来说,气象高空探空仪,由对温度、气压、湿度反应灵敏的传感器感应元件及转换电路组成。其中,数字压力传感器等元件的电参量随着空气中的温度、气压、湿度的变化而变化。而转换电路则对变化的电参量进行采集、编码而形成探空数字信号,并通过探空仪发射机发回地面,雷达把探空数据接收下来,就得到空中不同高度的温度、气压和湿度 3 个气象要素的资料了。
 
关于压力传感器的选择工采网给出的解决方案是可以用 MS5607 型号的,
 
 
美国 MEAS 高分辨率数字压力传感器 - MS5607-02BA03
 
该数字压力传感器与以往的 MS5534/5540//5561 相比压力的分辨率由 0.1mbar(1 米)提升到了 0.024mbar(20cm),温度分辨率由 0.01°C 提高到了 0.002°C,转换时间由之前的 35ms 提高到了 1ms。同时测量范围由 10-1100mbar 扩大到了 10-1200mbar。
 
精度并没有提高,仍旧是+/-1.5mbar。功耗由以前的 4μA 降低到了 1μA。不管是 MS5534/5540 还是 MS5561,他们的 16 位信号均是采用的三线 SPI 传输。而 MS5607 的 24 位数据可以选择 SPI 或者 I2C 的方式进行信号传输。
 
 
温湿度传感器可以选择法国 Humirel 数字输出温湿度传感器 HTU21D:
 
新款数字式温湿度复合传感器 HTU21D 树立了新的湿度传感器的尺寸和智能化典范:采用适合回流焊的 DFN 封装,尺寸仅为 3 x 3 x 1mm;提供经过校正的,线性的 I?C 数字输出信号。完全可互换,无需重新校正,长期饱和后迅速恢复,单独标识,符合严格的追溯要求 。
 
在探空仪制造过程中,从出厂到升空,需要对仪器进行性能测试。比如,通过压缩机和真空泵,改变箱体的温度和压力,模拟大气压,来对压力传感器准确性进行测试;利用恒温槽进行制冷循环,模拟出气温变化,从而对温度传感器的性能进行测试;还会将湿度传感器放入温湿度检测箱,对其进行检定和校准。此外,还会对探空仪进行无线电信号测试,以检测数据信号能否准确发射。