高空气象探测——GTS1型数字探空仪

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9K Ω—700K Ω，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长波辐射误差（PDTL ）Nu T F PDTL )(10287.048-⨯⨯=- 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：PW Nu 01433.014.1+= 其中：PW ：通风量：)]()1([10200I P I P PW --⨯= 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）：)1(tan 21x xh -=-式中参数x=sin(h) (注：当参数x=1 时，h 为90°))cos()cos()cos()sin()sin(ETT FD LTT FD LTT x ⋅⋅⋅+⋅=δδ其中：FD ：为度转化为弧度的系数，其值为 2π/360；LTT ：是测站纬度(º)；δ：为太阳视赤纬 (rad)：θθθθδ2sin 000908.2cos 006758.sin 070257.cos 399912.006918.+-+-=其中：θ 为以弧度计的施放日期角：FD DAY DAYN ⋅⋅+=365360)(θ其中：DAYN ：全年累计到上月底的总天数；DAY ：当月施放日期；ETT ：时角（弧度）：FD Eq LGT BT ETT ⨯+-+⨯-=]4)120(15)12[( 其中：BT 为施放到第I 分钟的北京时（小时）, LGT 是测站经度(度)，Eq为时差（分），是真太阳时与平太阳时之差。

BT 计算法：60/60/I MIN HOUR BT ++=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。

q E 计算法：θθθθ2sin 3619.92cos 3495.3sin 3515.7cos 4281.00172.0---+=EQ其中：θ为以弧度计的日期角。

③辐射误差计算公式太阳辐射误差(PDT)：Nu A h REF PDT ⋅⋅+=))sin(85.0(其中： h ：日高角（°） REF ：地气系统（特别是云顶）的反射率：]2.0)111(6.0286.0[43.2++-+⨯=CH Nc REF其中：CH ：云层厚度（km ）c N ：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：)0()()sin(038.011.011P I P h A ⨯++=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：))sin(1.011.11(h DH PDT PDT +⨯+÷=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λ（s ）经理论计算和实验测试验证为：Nu K =824.4λ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 λ为：τλλD DT DT -=其中：τD DT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。

60PA PA —组成128个探空仪系列号；7PA 是A/D 转换后的数据输出口。

40PB PB —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7PA 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TL 431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9V 、高Q 值微带线、可微调电容14C 、鞭状天线W 与地网及1312C C 、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。

14C 是一个半可变电容器，调节铜螺丝的位置可改变14C 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12C 、13C 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。