中科大高空气象探测教案07 GTS1型数字探空仪

PAGE1单元标题：第七章GTS1型数字探空仪探空仪结构第二节探空仪的技术指标教学时数：（2）学时，其中理论（2）学时，实验（0）学时，上机（0）学时，其他（0）学时：教学目的与要求：掌握GTS1型数字探空仪结构：探空仪外形、发射机、智能转换器、湿度传感器、探空仪盒盖、保温材料、电池。了解探空仪的技术指标。主要教学内容：GTS1型数字探空仪探空仪结构：探空仪外形、发射机、智能转换器、湿度传感器、探空仪盒盖、保温材料、电池、技术指标。。教学重点与难点：GTS1型数字探空仪发射机、智能转换器、湿度传感器、探空仪盒盖、电池的构成，主要技术指标。课后作业：1、GTS1型数字空仪特点和用途？2、GTS1型数字探空仪构成？3、发射机频率调谐螺丝和RP1的作用和调整方法。4、GTS1型数字探空仪的主要性能如何？课后体会：通过教学，学生对GTS1型数字探空仪结构有了基本了解，包括GTS1型数字探空仪外形、发射机、智能转换器、湿度传感器、探空仪盒盖、保温材料、电池、技术指标等部分。第七章GTS1型数字探空仪特点：采用全电子传感器和副载波二进制数字代码遥测的方法，具有良好的抗同频干扰能力，探测技术高、采样速度快、抗干扰能力强等特点，实现了数字化、模块化，整体性能接近世界同类产品先进水平。用途：与GFE（1）型二次测风雷达相配合，可综合探测到地面至30km范围内，不同高度的大气温度、气压、相对湿度和风向风速。第一节探空仪结构探空仪由温度传感器、湿度传感器、智能转换器（含气压传感器）、发射机、电池五部分构成。一、探空仪外形外壳表面涂有防雨透明胶，具有良好的防水性能和反射率，是安放智能转换器、发射机、湿敏电阻、电池之用（热用电阻出厂时已焊接在支架上），并把它们组合成整体。热敏电阻支架在施放时要从盒盖内翻转出来，盒盖内部装有湿敏电阻插座，盒盖前部和防雨盖内壁有防辐射黑纸，使盒盖既能防湿敏电阻受雨淋，又能防止太阳直接辐射的影响，同时构成空气流动的通道，减小湿敏电阻的滞后误差。电池从纸盒侧面放入盒内，电池靠近发射机一端，可以减少电池热量造成的测温误差。二、发射机发射机全部零件及可集成块、晶体管等电子元件均牢固地安装在印制电路板上。频率调谐螺丝是一个半可变电容器，调节铜螺丝的位置可改变其电容量的大小，顺时针旋转螺丝电容量增大，频率降低；逆时针旋转螺丝电容量减小，频率升高。RP1可用来调整测距应答“鼓包”和“缺口”状态；插头XP3，用来连接智能转换器。三、智能转换器智能转换器的全部电子元件、气压传感器和测量气压传感器温度的热敏电阻均牢固地安装在印刷电路板上。插座XP1与探空仪盒盖的传感器插头连接；插座XP2与电池连接；插座XP3与发射机连接。测量气压传感器温度的热敏电阻引出导线十分细，使用时注意避免将导线碰断。四、湿度传感器湿敏电阻一旦取出必须使用，在空气中暴露时间过长，会影响测湿精度。五、探空仪盒盖温度、湿度传感器安装在盒盖上，测温热敏电阻出厂时已焊接在白色支架上，施放前将支架翻出接近150°。XS1插头与智能转换器连接。六、保温材料探空仪在出厂时，发射机和智能转换器已经连接并置放在F型的保温盒内，施放前需将电池保温盒打开，装入浸泡好的镁电池。发射机置于保温泡沫盒内时，必须与底部相接触好，如有空隙，需垫上块状泡沫填满空隙，以避免发射机在施放过程中与智能转换器断开，造成信号突失。七、电池镁氯化亚铜注水式电池，遇水就会产生化学反应消耗能量，,时间越长能量消耗越多。为了避免镁电池在贮存期内发生这种情况，装在塑料袋内的电池，在抽除袋内空气封口后，将5只或10只装入密封的铁罐盒内。从铁罐盒内取出的电池，其塑料袋应紧贴在电池上，否则说明塑料袋已经漏气，这种电池使用时要特别注意。第二节探空仪的技术指标一、测量性能1、量程温度：50℃—-90℃；湿度：0%—100%RH；气压：1060hpa—5hpa。2、测量范围和校准不确定度（标准差）温度：40℃—-80℃，校准不确定度：△T≤±0.2℃。50℃—40℃或-80℃—-90℃，校准不确定度：△T≤±0.3℃。湿度：15%—95%RH，校准不确定度：环境温度-25℃以上，△U≤±5%RH；环境温度-25℃以下，△U≤±10%RH。气压：1050hpa—10hpa。校准不确定度：气压在500hpa以下，△p≤±2hpa；气压在500hpa以上，△p≤±1hpa。二、电气性能1、发射机载波中心频率：1671MHz±3MHz。载波频率占用范围：1668—1675MHz。发射功率：P≥400mW。调制方式：调幅。淬频频率：800kHz±15kHz。副载波频率：32.7kHz±0.5kHz。天线增益G：≥1dB。接收灵敏度：≤20μw/m。三、智能转换器副载波频率：32.7kHz±0.5kHz。数字信号传输方式：数字1状态，发射机受800kHz调制。数字0状态，发射机受32kHz方波调制；32kHz在高电平时，关闭发射机；0电平时发射机受800kHz调制。传输速度：1200Baud（1200数据/秒）。采样周期：t≤1.5秒。数据内容：时间、探空仪编号、测量要素代码。四、电池电压：±13.5V～±12.5V；电流：≥10mA；放电时间：≥90分钟；单元标题：第七章GTS1型数字探空仪第三节

探空仪的工作原理教学时数：（2）学时，其中理论（2）学时，实验（0）学时，上机（0）学时，其他（0）学时：教学目的与要求：掌握探空仪的基本工作原理，了解温度传感器、湿度传感器、气压传感器、智能转换器、发射机的组成和感应原理。主要教学内容：探空仪的基本工作原理，了解温度传感器、湿度传感器、气压传感器、智能转换器、发射机的组成和工作原理教学重点与难点：探空仪的基本工作原理，温度传感器、湿度传感器、气压传感器、智能转换器、发射机的组成和工作原理。课后作业：1、GTS1型数字探空仪的工作原理如何？2、温度传感器阻值范围如何？3、湿度传感器的构成和使用原理？比阻值的定义？4、智能转换器主要功能如何？课后体会：通过教学，使学生对GTS1型数字探空仪的基本工作原理有了一定的认识，基本掌握了温度传感器、湿度传感器、气压传感器、智能转换器、发射机的组成和工作原理第三节

探空仪的工作原理基本原理：探空仪升空中，热敏电阻、硅压敏电桥、湿敏电阻分别随大气的T、P、U变化而改变阻值大小或输出电压大小，这些变化值通过智能转换器转变成不同的二进制数据。智能转换器同时将这些探测到的气象资料信息，调制到期1675MHz发射机上，使其产生不同的工作状态，向地面GFE（1）型测风雷达发射T、P、U无线电二进制代码和测距应答脉冲，以完成0—30Km垂直高度的温、压、湿、风向和风速的综合探测。一、传感器1、温度传感器：采用GPW2型棒状热敏电阻，在测量温度范围内（55℃—-90℃），阻值限定在9KΩ—700KΩ，阻体长10mm，直径1mm左右，表面有高反射率涂层，短波反射率＞93%，但长波吸收率＞90%。GPW2热敏电阻出厂时已焊在探空仪纸盒盒盖内的白色塑料支架上。气压附温测量采用GPW3型棒状热敏电阻。阻体长6.5mm，直径0.65mm，其安装在气压传感器外壳内,用胶水封固。为了实现热敏电阻测温功能，首先要进行热敏电阻的温度特性校准，以获得R—T特性曲线。特性校准点数量根据R—T特性的计算公式确定，在保证测量精度的基础上，尽量减少校准点避免浪费校准工时。GPW2热敏电阻的长短波辐射带来到误差经过订正，可保证高空测温精度。（1）辐射误差订正探空仪热敏电阻的温度元件存在着长波辐射误差、太阳辐射误差及滞后误差，对这些误差需要进行订正。热敏电阻温度元件不同，其误差大小不同，其误差订正方法由厂家提供，现以直径为1mm的白色杆状热敏电阻为例加以说明：=1\*GB3①长波辐射误差（PDTL） 其中：F：温度元件接收到的长波辐射；T：温度元件绝对温度（K）；Nu：为努塞特数： 其中：PW：通风量： 其中：P(I-1)、P(I)为相继两分钟相应的气压（hPa），I为施放后的分钟数。=2\*GB3②太阳辐射误差（1）日高角计算：施放到第I分钟时的日高角h（º）： 式中参数x=sin(h)(注：当参数x=1时，h为90°) 其中：：为度转化为弧度的系数，其值为2π/360；：是测站纬度(º)；：为太阳视赤纬(rad)： 其中：为以弧度计的施放日期角： 其中：DAYN：全年累计到上月底的总天数；DAY：当月施放日期；：时角（弧度）： 其中：BT为施放到第I分钟的北京时（小时）,LGT是测站经度(度)，为时差（分），是真太阳时与平太阳时之差。计算法： 其中：HOUR：施放瞬间(北京时)小时数，MIN：施放瞬间分钟数，I：施放后的分钟数。计算法： 其中：为以弧度计的日期角。=3\*GB3③辐射误差计算公式太阳辐射误差(PDT)： 其中：h：日高角（°）REF：地气系统（特别是云顶）的反射率： 其中：CH：云层厚度（km）：云量，满天有云时Nc为1。 A为太阳辐射强度随气压和日高角变化的削减因子： 其中：P(0)、P(I)分别为地面及施放I分钟后的气压（hPa），h为日高角（°）。Nu：努塞特数。如探空仪在云层以下，应再除一云层削减因子，即： 其中：DH：上面各层云的总厚度（千米）。（2）滞后误差热敏电阻的滞后系数（s）经理论计算和实验测试验证为： 其中：Nu：努塞特数；K：空气的导热系数，可用以下公式近似计算：K=0.2+(10000-H)/213000 H<10000mK=0.2 H≥10000m 其中：H：探空仪高度。滞后误差DT为： 其中：为探空仪测得的大气温度变化率。2、湿度传感器：采用XGH-02高分子湿敏电阻。具有测量范围广，互换性好，响应速度快，体积小等优点。XGH-02型湿敏电阻是一片带有电极的有机玻璃基片，其片上浸渍了按一定比例混合搅拌的羟乙基纤维素HEC（吸湿材料）、碳黑（导电材料）、Tx-100和三梨醇（涨力辅助材料）。此可知XGH-02型湿敏电阻是黑色的，感应材料是裸露的，因此手只能接触基片的两边电极，同时它需要防太阳照射和雨淋；需要一定的通风量来保证传感器正常工作，为此在探空仪的外壳上设计了防晒、防雨的通风道放置湿敏电阻。湿敏电阻是一次性使用的元件，因此XGH-02型湿敏电阻出厂时置于密封的内玻璃管内，外玻璃管内放有干燥剂，以保证湿敏电阻元件长期处于干燥的环境中。湿敏电阻是一种二元特性传感器，它的电阻变化除了主要受相对湿度影响外，还有一定的温度系数，探测过程中需要通过软件进行温度修正，这样才能保证探空仪升空中全量程的测湿精度。由于湿敏电阻的阻值随时间变化而有所漂移，因此在使用过程中采用湿敏电阻的比阻值来表示相对湿度。所谓比阻值就是用某一相对湿度（如0%RH），做为参考值，其它湿度的阻值与其相比。这就是探空仪使用前需要输入基值电阻的原因。3、气压传感器：采用24PC型硅阻固态压力传感器。24PC硅阻固态压力传感器在工作范围（约1个大气）内具有良好的弹性和重复性。影响压力传感器性能的误差包括如下几个方面：零点温度漂移、灵敏度温度漂移、线性误差、重复性误差、迟滞误差、机械迟滞、温度迟滞等。据厂家提供的技术资料表明，所有误差都在最大值的情况下总误差之和可达5.57%，当然这种可能性是极小的。但既使零点温度漂移、灵敏度温度漂移最大值也分别能达到1%，远远超出了探空仪的技术指标，因此需要进行全量程的温度补偿。GTS1型探空仪压力传感器采用软硬件温度补偿方法，补偿动态范围大、精度高、成本低、同时改善线性度。二、智能转换器智能转换器主要功能是将各类传感器的物理量，按照一定的格式转换成二进制代码。1、电路智能转换器由单片机、积分器、比较器、多路开关、放大器、振荡器等电路组成。2、A/D转换转换器采用软件双积分A/D转换方案，转换精度超过14位，并对温度影响采取了多种补偿措施，在50℃——-35℃范围内的实际转换精度优于万分之三。为了降低探空仪的成本，提高数据可靠性，各传感器所测量的气象信息要素值转换由地面设备中的计算机，根据各个探空仪检定数据进行处理，故智能转换器不能带外部EPROM芯片，各个探空仪检定数据按规定格式存入3.5英寸软盘，随探空仪一起提供给台站。利用单片机(MC68HC705J1A)内的定时器/计数器和积分器做硬件支持，可实现软件双积分A/D转换。积分器采用高输入阻抗的LF353运算放大器和电阻电容构成，积分器电阻、电容值由基准电压和积分时间决定；积分器输出接比较器LF353运算放大器；积分器输入接CD4052(双四选一)开关电路的输出；CD4052的四个输入端中一个接负基准电压、一个接待转换正电压、另外两个接积分器输出，四个输入端工作时序受单片机控制；待测电压来自8选1开关电路CD4051；CD4051的八个输入端分别接正基准电压、热敏电阻、湿敏电阻、压力转换电压和温度补偿热敏电阻，另有三个输入端接数字地可作扩展用，八个输入端工作时序受单片机控制。3、单片机705JIA单片机的A口有8位双向端口，B口有6位双向端口。组成128个探空仪系列号；是A/D转换后的数据输出口。控制CD4051和CD4052转换开关电路时序。比较器LF353输出控制单片机中断口。单机片输出的数据和副载波32.7kHz信号，经过失密特触发器（74HC14）反相和与非门4011处理后，数字“1”为低电平，数字“0”为高电平；副载波32.7kHz信号受到数字“0”调制。单片机时钟频率为4MHz。4、基准电压基准电压由稳压管TL431产生，再经LF353功率放大。5、副载波振荡器副载波32.768KHz振荡器由32.768KHz晶体、电阻电容和LF353运算放大器产生。6﹑放大器两个单运算放大器OP07用来放大PC24硅压敏电桥输出电压。三、发射机1、超高频发射机超高频晶体管、高Q值微带线、可微调电容、鞭状天线W与地网及构成超高频发射机。这种超高频发射机精加工少，结构简单，重量轻，频率调谐方便。是一个半可变电容器，调节铜螺丝的位置可改变的电容量，顺时针旋转螺丝电容增大，频率降低；逆时针旋转螺丝电容减小，频率升高。穿芯电容、用作超高频滤波。2、超再生工作状态GTS1型数字探空仪的超高频发射机除了发送T、P、U气象要素信息，还要接收地面雷达发射的询问信号，因此还必须具有接收机的功能。为了使同一振荡电路具有收发两种功能，它只能处于超再生工作状态（既间歇工作状态）。超再生工作状态所产生的脉冲宽度和间歇振荡重复频率决定于、、、、和供电电压。这种自调制超再生电路的接收灵敏度极低，必须在间歇振荡的休止时间内增加淬频信号，以提高超再生接收的灵敏度。3、淬频振荡器淬频振荡器由V8、R7、R8、、R9、R10、R11、C6、C7、C8和变压器L构成，频率为800kHz。淬频振荡器调制在超高频发射机RC放电回路中，其正半周的某一部分使放电电压能够达到超高频发射机“起振阀电压”，使超高频发射机振荡；而其负半周某一部分必须使超高频发射机停止振荡。也就是超高频发射机受到淬频振荡器800kHz的调制。这是一种特殊的调制，能够保证超高频发射机的振荡处于“欠饱和”状态，这样超高频发射机在遇到地面雷达询问脉冲信号时，就能够达到“饱和”状态，使振荡幅度增大，产生应答“鼓包”和“缺口”。如何保证达到这种特殊工作状态呢？这就是下面所解介绍的“同步”问题。超高频发射机间歇工作状态：在τ时间内发射机工作，由于基极回路的电阻电容（R5、R6、RP1、C10、C11）值较大（时间常数大），因此在τ时间内基极电压不断下降，直至达到超高频晶体管V9载止电压，发射机停振。在T-τ时间内，C10、C11积累的电子通过R5、R6、RP1放电，V9基极电压缓慢上升直致达到V9开启电压，由于振荡回路的正反馈，发射机又开始工作。周而复始前面所述过程，这就是超高频发射机自调制间歇振荡的原理。在超高频发射机间歇工作状态的条件下，在V9的基极回路中增加了kHz正弦波调制，由于V9基极回路放电电压与800kHz正弦波正半周相加，使V9基极提前达到振荡电压，超高频发射机工作，正弦幅度较低小，因此每三个正弦波才能够超大型高频发射机工作一段时间，由于超高频发射机的重复频率为800kHz的三分之一，所以在“同步”理论中称之为三分频同步状态。