（测试计量技术及仪器专业论文）基于gprs的多要素自动气象站.pdf

摘要 气压、气温、湿度、风向、风速、雨量、地温等气象要素的采集是气象工作的基 础，自动气象站自动进行气象观测和资料收集和传输的气象站。自动气象站为气象情报、 气象分析和科学研究提供重要的依据。本文讨论了g p r s 数据通讯的优点、分析各气象 要素传感器的接口和性能、气压的温度补偿方法、温度参数的分段线性化、可靠性等关 键问题，设计了基于g p r s 的多要素自动气象站，并实现了气象采集的自动化和网络化。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，是g s mp h a s e 2 1 规范实现的内容之一。和g s m 方式相比g p r s 数据服务除了“高速”、“永远在线” 的特点外，还具备通讯费用低廉的优势。 传感器是检测系统重要的组成部分，本文首先分析了各传感器的对外接口和性能， 为我们的电路和处理软件设计提供了设计依据。 在电路设计部分，主处理器采用a d , u c 8 1 2 ，内部集成了1 2 位的a d 转换器。设 计了各传感器的调理电路，详细分析了铂电阻测温电路可能引起误差的恒流源，外接引 线、放大电路误差等问题进行处理，采用四线制的铂电阻，用三信号法测量提高精度， 并设计了可靠的放大处理电路。气压信号，在分析了传感器的标定数据后，为了达到系 统的分辨率要求精度，同时为了减轻主c p u 的负担，我们设计了专门的电路模块来实 现。同时对湿度、风向、风速、雨量信号进行分析后设计了调理接口电路。另外还设计 了时钟、存储器和g p r s 接口等相关电路。 最后，分析了自动站软件和可靠性设计中的的几个关键问题。用p t l 0 0 铂电阻测 温时，根据公式进行计算温度，计算量很大，通过分析系统要求的温度范围和精度后， 温度的处理算法没有采用公式计算，而是采用分段直线来拟合，在实现精度的同时大大 减轻c p u 的计算量。气压传感器的非线性问题，用曲线拟合法进行气压信号的非线性 校正和温度补偿，达到气压的精度要求。在可靠性设计中主要就软硬件抗干扰问题和防 雷避雷问题进行了分析与讨论，并提出了解决措施。 关键词：自动气象站 g p r s a d y c 8 1 2 p t l 0 0 气压温度补偿 a b s t r a c t a i rp r e s s u r e ，a i rt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ，d i r e c t i o no fw i n d ，w i n dv e l o c i t y ，r a i n f a l l ，a n d g r o u n dt e m p e r a t u r ea r et h ef o u n d a t i o no ft h ew e a t h e rw o r k j 砀ea u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n c a l lc o l l e c tt h ew e a t h e r si n f o r m a t i o na n dt r a n s m i tt h e s ed a t aa u t o m a t i c a l l y t h ea u t o m a t i c w e a t h e rs t a t i o nc a np r o v i d et h ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o rs c i e n c er e s e a r c h t h ew e a t h e r i n f o r m a t i o na n dt h ew e a t h e ra n a l y s i s 1 1 l i sp a p e rd i s c u s s c st h ea d v a n t a g eo ft h eg p r s a n a l y t i c a le a c hw e a t h e rm a i nf a c t o rt h a tt h et e m p e r a t u r et h a tt h es e n s o ra n df u n c t i o n , a i r p r e s s u r ec o m p e n s a t e st h em e t h o d ，t h et e m p e r a t u r ep a r a m e t e rt ot u r n ，r e l i a b i l i t ye t c t h ek e y p r o b l e m t h ea u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o nw a sd e s i g n e d 。w h i c hi sb a s e do ng p r s i tr e a l i z e d t h ea u t o m a t i o na n dn e t w o r k so ft h ew e a t h e rc o l l e c t i o n t h eg p r si st h eb r i e fn a m eo fg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，w h i c hi so n eo ft h e c o n t e n t so ft h eg s mp h a s e 2 1 c o m p a r et h eg p r sd a t as e r v i c ew i t hm e t h o do fg s m e x c e p t t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e ”h i g hs p e e d ”o n 1 i n ef o r e v e r ”，t h eg p r ss t i l lh a v et h ei n e x p e n s i v e a d v a n t a g eo ft h ec o m m u n i c a t i o ne x p e n s e s s e n s o ri si m p o r t a n tp a r to ft h em e a s u r es y s t e m i nt h i sp a p e r f i r s t l ye a c hi n t e f f a c eo f s e n s o ra n df u n c t i o n sw a sa n a l y z e d ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o no fe l e c t t o n i cc i r c u i ta n dt h e p r o c e s s i n gs o f t w a r e i nt h ep a r to ft h ee l e c t r i cc i r c u i td e s i g n ，t h em a i np r o c e s s o ri sa d c 8 1 2 ，t h ei n n e r p a r t t h e r ei s1 2b i t sa dc o n v c i s i n n e a c hs e n s o ra a j u s tc i r c u i tw a sd e s i g n e d ，d e t a i l e da n a l y z e d t h ep l a t i n u mr e s i s t a n c et om e a s u r et h ec o n s t a n tc u r r e n tm a yc a u s et h ee l r o rm a r g i nt of l o w t h es o u r c e ，c i r c u m s c r i b et h ef u s ee t c t h ep r o b l e mc a r r i e so nt h ep r o c e s s i n g ，a d o p tf o u rp i n s o ft h ep t l 0 0 ，a n dd e s i g n e dt oe n l a r g et oh a n d l et h ee l e c t r i cc i r c u i tr e l i a b i l i t y a i rp r e s s u r e s i g n a l ，a ta n a l y z e dt os p r e a dt h em a r kp r e d e s t i n a t i o no ft h ef e e l i n gm a c h i n ea c c o r d i n gt oa f t e r ， f o ra t t a i n i n gt h er e s o l u t i o no ft h es y s t e mt or e q u e s tt h ea c c u r a c y f o ra l l e v i a t et h eb u r d e no f t h em a i nc p u ，w ed e s i g n e dt h es p e c i a l i z e de l e c t r i cc i r c u i tm o d u l ea tt h es a m et i m e a d u s t c i r c u i tw a sd e s i g n e dt oh u m i d i t y , d i r e c t i o no fw i n d ，w i n dv e l o c i t y ，r a i n f a l ls i g n a la f t e rc a r r y o nt h ea n a l y s i s a tt h es a m et i m e ，t h ec l o c k ，m e m o r ya n dt h ei n t e r f a c eo fg p r se l e c t r i c c i r c u i tw a sd e s i g n e d f i n a l l y ，af e wk e yp r o b l e m so fa n t o m a t i cs t a t i o ns o f t w a r ea n dr e l i a b i l i t yd e s i g n sw a s a n a l y z e d w h i l em e a s u r i n gt e m p e r a t u r ew i t ht h ep t l 0 0 c a r r yo nc o m p u t i n gt h et e m p e r a t u r e a c c o r d i n gt ot h ef o r m u l a ，t h ec a l c u l a t i o nq u a n t i t yi sv e r yh u g e ，t h r o u g ha n a l y s i st h es y s t e m r e q u e s to ft e m p e r a t u r er a n g ea n da c c u r a c i e s ，t h ep r o c e s s i n gc a l c u l a t ew a yo ft h et e m p e r a t u r e d i dn o ta d o p tt h ef o r m u l ac a l c u l a t i o n ，u s es e g m e n ts t r a i g h tl i n et od r a wu pt om a t c hi t ，w h i c h c a l lb ea l l e v i a t et h ec p u sw o r ka n dr e a l i z et h ea c c u r a c y t h ea i rp r e s s u r es e n s o rs i g n a li sn o t l i n e a r i t y , w i t ht h ec u r v en o tt h el i n ec o r r e c t st oc o m p e n s a t ew i t ht e m p e r a t u r e ，t h eh i 曲 a c c u r a c yo ft h er e a l i z a t i o na i rp r e s s u r em e a s u r e i nr e l i a b i l i t yd e s i g no ft 1 1 es o f ta n dh a r d w a r e a n t i i n t e r f e r e n c ep r o b l e ma n dd e f c n d e dt h et h u n d e rt oa v o i dt h et h u n d e rp r o b l e mt oc a r r yo n a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n ，a n dd e f i n i t e l yp u tf o r w a r dt h es o l u t i o nm e a s u r e s k e yw o r d s ：a u t o m a t i cw e a t h e r - s t a t i o n g p r s a d , u c 8 1 2 p t l 0 0a i rp r e s s u r e t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等违 反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法 律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：久弩暂吩 硼f 年r 月乙谰 基于g p r s 的多要素自动气象站 第一章引言 第一章引言 1 1 气象要素采集自动化网络化的意义 运用气象仪器进行大气测量，是分析研究大气活动和正确预报天气的必要手段。因 此气象仪器和测量方法的提高和改进，是大气科学研究正常开展和天气预报的关键。随 着气象服务精细化程度与时效性要求的进一步提高，对气象数据的采集无论从数量上还 是从质量上都提出了新的挑战。气压、气温、湿度、风向、风速、雨量、地温等气象要 素的采集是气象工作的基础。它对于一定范围内的气象状况及变化进行系统的、连续的 观察和测定，为气象预报、气象情报、气象分析和科学研究提供重要的依据【1 1 1 2 】。 随着科学技术的发展和社会发展的需求，国际上对气象要素的自动采集和气象数 据的自动存储、数据处理、数据的实时传输提出了更高的要求，气象仪器的智能化和网 络化成为必然。目前中国气象局“大气监测自动化”项目正在实施【3 l ，主要是在地级市 安装新一代天气雷达和县市级安装多要素自动气象站。按照规划，自动气象采集站将布 到县一级，因此这种网络化的自动气象站的研制具有广阔的市场。 基于g p r s ( 通用分组无线业务) 的多要素自动气象站是组成自动气象观测网络系 统的重要组成部分。该自动气象观测网络系统是应用气象传感器技术、自动测试技术、 先进的数据传输技术( g p r sd d n 技术) 、微机应用技术开发组建的自动观测系统， 可显著提高气象观测的准确性、实时性。能解决各种环境下长期稳定的高精度数据( 包 括气压、气温、湿度、风向、风速、雨量等) 采集和实时传输。该自动气象观测系统使 气象观测进入自动化、遥测化时代。本项目的实施可以大幅度提升大气与环境探测领域 的探测能力，促进行业技术进步。本科题的目的旨在研制一套先进的通用网络化、自动 化的气象数据环境采集系统，以提高我国气象和环境自动观测设备的科技水平，为下一 代气象检测设备的更新奠定技术基础。 1 2 通讯通道的比较及g p r s 实现网络化的优点 长期以来，气象部门使用的气象资料是通过人工测量或自动测量，再通过人工发 报或有线网络传送至气象中心的，一天内的资料在规定的时次发报或正点发报。这样使 得自动气象站存在分布少、实时性能差、政府或职能部门不能方便及时地使用各种气象 基于g p r 5 的多要素自动气募站 第一章b i 言 信息和历史资料等问题【4 】。 近几年来为了解决上述问题，气象和相关部门进行了很多技术改造。目前气象部门 为了实现气象采集的网络化，采用的通信方式总的可分为：有线和无线两种方式。有线 又包括；有线专门网络，有线m o d e m ，以太网。无线方式主要有三种：无线数传电台通 信方式；g s m 短消息方式；卫星通讯。 然而有线专门网络或是以太网由于布网费用较高，很难用在乡镇一级。有线m o d e m 即通过公共电话网，通过拨号上传数据，经常存在网络连接不上的情况，或是传输过程 中掉线的情况，通信通道需要拉电话线，施工麻烦且应用场合受到限制现在该通信方 式已经慢慢被淘汰了。 无线数传电台通信方式：在近距离可以采用，但距离较远时很难实现数据的准确传 输。 卫星通讯是一种比较可靠的无线通讯方式，但使用的是租用卫星的通讯通道，对于 民用产品费用相对较高。 现在常用的g s m 短消息方式能通过手机拨号发送短信的方式实现远距离的通信， 但在产品试验中表明信号经常延时，并且在实验时经常有数据丢失的现象发生，同时该 通信方式采用短信方式费用较高。 2 0 0 2 年，g p r s 数据通讯业务在我国迅速推广应用。g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，是g s mp h a s e 2 1 规范实现的内容之一。它采用 与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的t d m a 帧结构，在现有g s m 网络中增加g g s n 和s g s n 为移动用户提供高速无线i p 或x 2 5 服务。g p r s 是基于g s m 的新型移动分组数据承载业务，每个用户可同时占用多个无 线信道，圊一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，比现有g s m 网 ( 9 6 k b i t s ) 具有更高的数据率，并具有“永远在线”( 即用户随时与网络保持联系) 的特点i 捌。 g p r s 采用分组交换技术，按流量计费，高效传输高速或低速数据和信令，优化了 对网络资源和无线资源的利用。g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样，g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b s ，实际应用带宽大约在4 0 1 0 0 k b s ，在此信道上提供t c p i p 连 接，可以用于i n t e r n e t 连接、数据传输等应用。 d d n ( d i g i t a ld a t an e t w o r k ) 是数字数据网络的简称，是一种广泛使用的数据通信网 络。它是利用数字传输通道和数字交叉复用节点组成的数字数据传输网络。为用户提供 基于g p r s 的多要素自动气象站第一章引言 各种速率的高质量、透明数据传输的永久或半永久性专用电路，为客户建立自己的专用 数据网吼 g p r s 无线d d n 是利用g p r s 移动数据通信网络组成的数字数据传输网络，为用 户提供各种速率的高质量、透明数据传输的永久或半永久性专用电路。为客户建立自己 的专用数据网g p r s 无线d d n 的优势：组网迅速灵活，建设周期短、成本低；网络覆 盖范围广；没有有线d d n 的本地与长途网络的限制；安全保密性能好；电路永远在线、 按流量计费、用户使用成本低吼 g p r s 数据服务除了“高速”、“永远在线”的特点外，还具备通讯费用低廉的优 势。g p r s 数据服务可以按流量或时间或包月固定费等方式收取。对营运商来说，提供 数据服务的成本产生基本按流量产生，中国移动采取了分段计费( 流量) 的价格模式， 这样就大大降低了用户使用g p r s 进行数据传输的成本，尤其在数据采集与监控系统中 【5 】。 通过对比，我们的最终方案是采用g p r s 通信方式实现气象要素自动检测无线化 和网络化。 1 3 国内外行业现状及发展 1 3 1 国外行业现状 国外进行气象信息采集比较有名的有意大利、法国、日本等一些公司在从事自动气 象站方面的研究。气象设备的主要生产厂家有芬兰的v a i s a l a 、意大利的d p s p r o m a t i c 、 法国的c i m e l ，英国的c a m p b e hs c i e n t i f i c 和c a s e l l ac e l 等。他们的大部分产品也是采 用卫星和g s m 的通信模式，随着移动通信技术的进步，国外的意大利的一家公司2 0 0 3 年首先推出了基于g p r s 通信的相关产品f 6 l 。但是国外进口的自动气象站观测系统设备 价格昂贵，很难在国内大范围普及。 1 3 2 国内行业现状 国内气象观测技术领域也有许多相关研究，并取得了一定的进展。国内比较著名的 自动气象站有北京华创科技公司的c a w s 6 0 0 系列自动站；江苏无锡无线电科学研究所 的z q z - ci i 型自动气象站。另外还有长春气象研究所的同类产品。他们的产品主要是 基于g p r s 的多要素自动气象站 第一章引言 单机或是数据传输大都局限于传统的通讯方式( 有线m o d e m 、g s m 等通讯方式) 。在我们 进行基于g p r s 的多要素自动气象站产品开发的同时无锡无线电科学研究所也在进行 相关产品的研究和实验叽 1 3 3 气象采集技术的发展 随着技术的发展，新一代气象数据采集系统具有自动化程度高、多功能、多参数、 模块化、标准化及全天候工作能力，能够准确、及时的自动采集和处理各种气象和环境 数据。新一代产品应该是一种高度模块化、多功能低功耗的气象数据采集产品，采用了 先进的关键数据采样技术和数据处理技术，基于嵌入式微机的高度智能化和模块化，有 很强的可扩展性和较高的可靠性。用户可根据需求，配接不同种类的传感器和通讯载体 及模块化的软件包，将完全符合中国气象局自动气象站观测规范的技术标准。其各项性 能指标将完全满足气象、水文和海洋部门的技术要求，满足中国气象局投入自动观测业 务使用的更高要求【8 j 。 1 4 基于g p r s 的自动气象监测系统结构框图和自动站的设计要求 1 4 1自动气象监测系统结构框图 气象自动监测系统由现场自动气象站、g p r s 通信网络和气象数据中心三大部分构 成，系统结构如图1 - 1 所示。 图1 - 1 自动气象观测系统框图 4 基于g p r s 的多要素自动气象站第一章引言 自动气象站安装在观测现场，通过各种传感器对气象参数进行采集；同时，分析、 存储采集的气象数据。自动气象站利用g p r s 模块作为自动站的数据通讯通道。自动气 象站包括两大部分。一是气象参数采集模块，对气象参数进行实时采集；同时存储历史 数据。二是g p r s 通信模块，该模块建立通信链路，实现数据的无线传输。 g p r s 通信网络是气象数据中心与现场自动气象站之间的数据传输的桥梁，各自的 g p r s 数据终端将数据打成i p 包，经g p r s 接入无线g p r s 网络，由移动服务商转接 到i n t e m e t ，最终通过各种网关和路由到达统一的数据处理中心工作站。使现场自动气 象站的气象参数能够及时传送到气象中心的计算机中。 气象数据中心是系统的监控中心，从各观测站发回的气象资料经整理后存入s q l s e r v e r 数据库，并通过网页浏览方式提供给相关部门及其他用户。它由三台主机和上位 机软件组成。一方面气象数据中心通过g p r s 网络与现场自动气象站进行双向通信收发 数据，另一方面进行数据库管理和w e b 网页浏览服务。上位机软件为用户提供一个可 视化界面，实时监测各地的气象参数。通过此软件，可查询历史数据库，查看各地气象 信息的历史记录和统计曲线，从而清楚地了解观测点的综合气象信息。 1 4 2自动气象站的设计要求 自动气象站设计的功能要求【1 1 ： 1 气象站要求自动采集气压、温度( 气温、地温) 、风向、风速、湿度、降雨多个 气象要素，各要素的测量应达到中国气象局的地面有线综合遥测气象仪观测规范要 求： 气压：测量范围：5 0 0 - - 1 1 0 0h p a ，采集的分辨率：0 1 h p a ，准确度：0 4 h p a ，采 集速率：6 次分钟( 一分钟共取6 个样本值，取中间大小的4 个值的等权算术平均值) 。 温度；测量范围：5 0 一+ 5 0 。c ，分辨率：o i * c 准确度：0 2 c 采集速率：6 次分钟 湿度测量范围：o 一1 0 0 ，分辨率：l 准确度：( 4 ，湿度8 0 ；8 ，湿度 8 0 ) 采集速率：6 次分钟 风向；测量范围：0 - 3 6 0 。，分辨率：3 0 5 基于g p r s 的多要素自动气象站第一章引言 准确度：5 0 采集速率：6 0 次分钟 风速：测量范围：0 6 0 m s ，分辨率：0 1 m s 准确度：0 5 m s 采集速率：6 0 次分钟 降雨；雨量范围：0 9 9 9 m m 雨强范围：0 - 4 0 m m 分，分辨率：o 1 m m 准确度：( 降雨量每分钟1 0 0 m m ，为0 5 m m ，强降雨，即降雨量每分钟 1 0 0 m m 时为5 1 2 自动监测各气象信息，并按规定的格式要求上传给气象数据中心。 3 具有实时时钟，按时间顺序记录历史资料，自动站存储容量至少能够记录1 天的 历史资料，留有海量数据存储接口。 4 。通讯接口应支持：与p c 机的r s 2 3 2 接口和与移动通讯网( g p r s ) 连接接口。 5 具有后备电源，在市电断电时能坚持工作1 天以上。 1 5 本课题的主要工作 本文的主要工作是自动气象监测系统中的基于g p r s 传输的自动气象站的研制，提 出并讨论的主要问题如下： 1 各气象要素的信号采集传感器的选用、接口和性能的分析。 2 硬件系统的主处理模块、气压测量模块、各传感器接口调理电路的分析与设计。 3 g p r s 相关技术，及和单片机的接口、时钟存储芯片的选择与接口、海量存储 的扩展问题。 4 气压的非线性校正和温度补偿的实现、温度传感器的非线性校正、可靠性分析 与设计等若干关键技术问题。 在研发工作中，作者本人负责的主要工作是硬件的分析与设计和软件中温度处理算 法的实现，参予整个系统的方案设计和调试工作。 基于g p r s 的多要素自动气象站第二章自动气象站传感器的选择与性能分析 第二章自动气象站传感器的选择与性能分析 2 1 检测系统的组成删 检测系统应具有对被测对象的特征量进行测量、传输、处理及显示等功能。一个检 测系统是传感器、预处理电路和数据处理和其它数据通讯装置等的有机组合。一个典型 的检测系统如下图： 叫圉刊囹 卤 图2 - 1 检测系统框图 传感器是感受被测对象( 物理量、化学量、生物量等) 的大小，并输出相对应的可 用输出信号( 一般多为电量) 的器件或装置。变送器将传感器输出的信号变换成便于传 输和处理的信号。现在有的传感器和变送器有的已经合为一体。 预处理电路主要是对传感器输出信号进行调理和变换。如对信号进行放大、调制、 变换等处理。 数据处理环节将预处理送来的信号进行a d 或d a 转换、运算、线性化，使其输 出信号便于显示、记录。这种信号处理环节可用于自动控制系统，也可与计算机系统连 接，以便对测量信号进行信息处理。 数据通讯模块主要是建立通讯通道进行数据传输。 人机接口为检测系统提供数据输出和操作输入的手段。 2 2 传感器的相关概念1 1 0 1 1 1 1 1 1 2 1 2 2 1 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。如果被测 量是一个不随时间变化，或随时间变化缓慢的量，可以只考虑其静态特性，这时传感器 7 孕 基于g p r s 的多要素自动气象站第二章自动气象站传感嚣的选择与性能分析 的输入量与输出量之间在数值上一般具有一定的对应关系，关系式中不含有时间变量。 对静态特性而言，传感器的输入量z 与输出量y 之间的关系通常可用一个如下的多项式 表示： y = a o + a l x + a 2 x 2 + + 口，矽。 传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、迟滞、线性度、重复性 和漂移等。 1 灵敏度 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量a y 与引起输出量 增量y 的相应输入量增量工之比。用s 表示灵敏度，即 s 。垒 a x 它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然，灵敏度s 值越大， 表示传感器越灵敏。 2 线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关 系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入 输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性如下图2 2 所示。 z 图2 _ 2传感器非线性曲线图 在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非 线性补偿环节，如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的 输出与输入关系为线性或接近线性，但如果传感器菲线性的方次不高，输入量变化范围 较小时，可用一条直线( 切线或割线) 近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出 特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。传感器的线性度是指在全量程范围内实际特 性曲线与拟合直线之间的最大偏差值a l m a x 与满量程输出值y f s 之比。线性度也称为 基于g p r s 的多要素自动气象站 第二章自动气象站传感器的选择与性胎分析 非线性误差，用y l 表示，即 t 等圳嘶 式中： a l m a x 一最大非线性绝对误差； y f s 捕量程输出值。 3 迟滞 传感器在输入量由小到大( 正行程) 及输入量由大到小( 反行程) 变化期间其输入 输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的 正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大的 迟滞差值m a x 与满量程输出值y f s 之比称为迟滞误差，用y h 表示，即 y 。；訾1 0 0 4 重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不 一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差a 计算，也可用正反行程中最大重 复差值a r m a x 计算，即 ”掣里x 1 0 0 5 漂移 传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称 为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境( 如温 度、湿度等) 。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温 度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。 温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度( 一般为2 0 c ) 时的输出 值的变化量与温度变化量之比( f ) 来表示。 6 准确度 测量系统的准确度，是指传感器的输出值与真值的偏离程度，是系统误差大小的标志。 基于g p r s 的多要素自动气象站第二章自动气象站传感器的选择与性能分析 2 2 2 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。很多传感器要在动 态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。只要输入量是时间的函数，则其输 出量也将是时间的函数，其间的关系要用动态特性来说明。 一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函 数。实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入 问的差异就是所谓的动态误差。动态特性主要是反映传感器的快速性和稳定性。 2 2 3 传感器的对外接口及其它指标 传感器的对外接1 3 主要是指：电源接口和信号的输出形式。另外传感器的其它指标 使用环境要求：温度、湿度、防腐等环境方面的要求。电源要求：电源电压的形式、等 级及波动范围；频率及高频干扰。可靠性要求：抗干扰、寿命、无故障工作时间。 2 3自动气象站各传感器的接口与性能分析【，2 l 一个自动检测系统的传感器选择很关键，选择传感器的依据有：技术指标要求( 包 括线性度、测量范围、灵敏度、分辨率、精确度和重复性) ；使用环境要求：电源要求； 可靠性要求等。 我们选择传感器的原则是在满足系统的要求的情况下，遵照气象行业推荐。传感器 的特征性能决定测量方法、接i ：1 电路的设计和软件的后续处理，因此首先把本系统所选 用的各传感器的原理、对外接口和特性进行分析。 2 3 1 温湿度传感器 我们选用的温湿度传感器为芬兰v a i s a l a 公司制造的h m p 4 5 d 温湿度传感器。 测气温的元件是四线制的p t l 0 0 铂电阻，0 时电阻为1 0 0 欧，电阻值随温度变化 而变化。对外接口就是铂电阻的四根引线。电阻和温度之间有数学公式，是非线性关系， 原理上，原理上通过测出电阻可以计算出气温。 感湿元件是高分子湿敏电容。高分子湿敏电容的电容c 随高分子膜的吸、放湿而变 1 0 基于g p r s 的多要素自动气象站 第二章自动气象站传感器的选择与性能分析 化，由于c 是r c 振荡电路的重要参数，测量出r c 振荡电路的频率，就可计算出湿敏电 容的容值，从而计算出大气的相对湿度。该传感器的对外接口有电源和信号两种接口。 电源的电压是+ 1 2 v ，由于传感器在内部进行了电路处理，输出的信号为o 一1 v 的电压信 号，对应0 - 1 0 0 的相对湿度。既电压和湿度是完全线性的关系，通过a d 转换后很容 易通过标度转换得到湿度。 2 3 2 地温传感器 铂电阻因其测量范围广，复现性好，性能稳定等优点，因此地温传感器采用标准四 线制的p t l 0 0 铂电阻，0 c 时电阻为1 0 0 欧，电阻值随温度变化而变化。 p t l 0 0 铂电阻适用于一2 0 0 + 8 5 0 全部或部分范围内测温，其主要特性是测温精 度高，稳定性好。但它的阻值与温度之间是非线性关系。根据i e c 标准7 5 1 1 9 8 3 规定， p t l 0 0 铂电阻的阻值与温度的关系为【1 1 】： 0 - - + 8 5 0 c ： r r ；r 0 0 + a t + 研。) 一2 0 0 珈：r = r 。q + a t + b t 2 + c o 一1 0 0 。c 弘3j 式中a - - - - 3 9 6 8 4 7 x1 0 3 ； b = - - 5 8 4 7 x1 0 ； c = - - 4 2 7 3 5 0 x 1 0 4 2 ；j 砀= 1 0 0 0 ( 0 时的电阻值) 。 电阻和温度之间有数学公式，原理上通过测出电阻可以计算出地温。对外接口就是 铂电阻的四根引线。 2 3 3 气压传感器 气压传感器，我们选用的是太原航空仪表厂的谐振式压力传感器，工作原理是：硅 电容压力敏感元件的硅电容c 随大气的压力变化而变化。在精密的r c 振荡电路中，由 于硅电容c 的变化，引起振荡脉宽的变化，根据测得的脉冲宽度和温度补偿电压，可 得到精确的气压值。该传感器的输出有两种信号：周期( 频率) 与气压相关的t i l 电 平的矩形波信号和一个和工作温度呈线性关系的o 一5 v 的模拟电压信号。通过测得的 温度信号实现气压的温度补偿，达到气压的精确测量。 在传感器出厂前，厂家对该传感器进行了标定。标定数据如表2 - 1 ； 1 1 基于g p r s 的多要素自动气象站第二章自动气象站传感器的选择与性能分析 表2 1g d j 5 压力传感器二维实验标定数据( 周期) 3 0 - 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 0 2 6 v 0 7 9 v1 3 3 v 1 8 4 v2 3 6 v2 8 8 v3 4 1 v3 9 4 v4 4 7 v 1 0 7 01 9 3 5 0 9 21 9 3 5 1 8 21 9 3 j 2 9 71 9 3 5 4 1 51 9 3 5 4 器1 9 3 5 5 4 21 9 3 j 7 2 31 9 3 5 8 51 9 3 6 0 0 l 1 咖1 9 5 , 3 0 9 91 9 53 2 1 9 1 9 5 3 3 4 4 1 竹3 4 8 4 1 9 5 3 5 4 41 9 5 3 6 4 51 9 53 8 4 61 9 5 3 9 8 81 9 5 4 1 5 4 9 卯1 9 6 6 2 81 9 6 6 4 1 61 9 6 6 5 5 81 9 66 7 1 4 1 9 6 朋b 21 9 6 酷9 51 9 6 7 1 11 9 6 7 2 6 51 9 6 7 4 4 3 9 0 01 9 79 7 4 1 9 7 9 8 9 3 1 9 8 0 0 51 9 8 0 2 1 91 9 8 0 2 9 91 9 8 0 4 2 71 9 8 嘶5 51 9 8 2 21 9 8 1 0 1 5 8 5 01 9 9 3 5 0 6 1 9 9 3 6 7 l1 9 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、1 0 c 、2 0 、3 0 c 、 4 0 1 2 、5 0 c 情况下，不同气压值对应的周期c 。气压p 单位是百帕( h p a ) ，周期c 的 单位为微秒( 邸s ) ，温度电压的单位为伏( v ) 。 表2 2g d j 5 压力传感器二维实验标定数据( 频率) 3 0 2 0 1 0 0 1 0 加3 0 4 0 5 0 乜：t 女n0 7 9 v 1 3 3 v 1 8 4 v23 6 v 2 8 8 v3 4 1 v3 9 4 v 4 斩v 1 m5 1 6 77 1 35 1 6 7 4 7 2 6 25 1 6 7 l 65 1 6 6 鼯1 5 1 6 6 7 4 3 7 45 1 6 6 j 1 1 55 1 6 6 0 2 85 1 4 95 1 酷2 8 6 5 9 1 0 0 05 1 2 0 胁5 1 1 9 7 5 3 65 1 1 9 4 2 5 9 75 1 1 q s 95 1 1 8 9 0 l 舾5 1 1 8 6 ，7 2 15 1 1 8 1 1 15 1 1 7 - 7 3 8 75 1 1 7 3 0 3 9 6 9 5 05 0 8 5 7 4 5 75 0 8 5 _ 3 9 3 9 35 0 8 5 删7 35 0 8 4 5 0 8 4 4 4 7 5 95 0 8 4 1 5 5 4 85 0 8 3 65 0 8 3 1 9 9 2 65 0 8 2 7 3 9 3 7 9 5 0 5 1 1 6 8 35 0 5