DZZ4自动气象站结构与原理

数字传感器
结构原理—传感器
模拟量传感器
传感器输出电流或电压，采集器按规范要求对其进行采 样计算，输出各气象要素值。 温度: WUSH-TW100 （ZQZ-TW）温度传感器 温湿度:DHC2湿度传感器 其他
辐射传感器、蒸发传感器等
结构原理—传感器
数字量传感器
传感器输出脉冲或频率，采集器对其采样计算。
支持检定参数设置，对测量结果进行订正；
具有自检、自校功能； 具有运行状态监测功能； 可直接挂接到新型站的CAN总线上。
结构原理—温湿度智能传感器
WUSH-BTH温湿度分采集器接线图
结构原理—温湿度智能传感器
CAN线和 电源线
温湿 度传 感器 接入 端
气温传 感器接 入端
0～1V
风速信号 风杯静止时电压5V 风杯转动时3V左右
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风向计算原理
格雷码转为二进制码的算法则较为繁琐，计算公式如下： Rn为n位的格雷码，Cn为转换后的二进制码
Cn = Rn，
Cn-1 = RnR⊕n-1， Cn-2 = RnR⊕n-1R⊕n-2，
…
C1 = RnR⊕n-1R⊕n-2…R⊕⊕2R⊕1， C0 = RnR⊕n-1R⊕n-2…R⊕⊕2R⊕1R⊕0.
结构原理—温度传感器工作原理
温度传感器接线图
四线制测温法（Rt =100+0.385t ）
温 度 T/℃
20 ℃ 0℃ 100
107.. 7
Pt 电 阻R/Ω
结构原理—湿度传感器
DHC2湿度传感器
DHC2型温湿度传感器，当前在新型站中只作为湿度传感器使用， 是新一代湿度传感器，湿敏元件采用Vaisala公司新一代电容式湿 敏元件HUMICAP180R，具有更高的测量准确度，更好的耐高湿 性能和长期稳定性，可以实现与HMP45D温湿度传感器的兼容。
结构原理—湿度传感器技术参数
DHC2湿度传感器
测量范围：0%RH～100%RH
分 辨 力：1%RH
最大允许误差：±3%RH(≤80%) ±5%RH(＞80%) 工作电压：12V 输出信号：0—1V
湿度 /RH
RH= V*100% 20% 0 0V 0.2V 输出电压/V
结构原理—湿度传感器
DHC2湿度接线图
气温传感器
模拟传感器 地温传感器 湿度传感器 蒸发传感器 辐射传感器 翻斗雨量传感器 风传感器 气压传感器 智能传感器 温湿度智能传感器 称重降水传感器 雪深传感器
WUSH-TW100
ZQZ-TW DHC2 WUSH-TV2 FS系列 SL3-1 ZQZ-TF DYC1 WUSH-BTH DSC1 DSS1
常见传感器
气压：DYC1气压计 能见度：HY-35（HW-N1）能见度
称重降水：DSC1称重雨量传感器
雪深：DSS1雪深传感器 天气现象传感器
云观测传感器
结构原理—温度传感器
WUSH-TW100温度传感器
WUSH-TW100是高精度铂电阻温度传
感器，等级为IEC60751 AAA，测量范
围(-50～+60)℃。传感器采用不锈钢铠 装，防护级别达到IP67。该传感器具有
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结构原理—风向传感器
• 由风向标部件、内装风向码信号发生器 的壳体以及信号输出插座组成。 • 风向标转轴带动的7位格雷码光码盘 • 7个同心圆轨道，2、2、22、23、24、25、 26 等分 • 相邻每份作透光与不透光处理 • 码盘两侧同一半径上的7对光电耦合器件 • 输出相应的7位格雷码，每一个格雷码代
风向计算原理
从最后一位开始算，依次列为第0、1、2...位 ；
第n位的数（0或1）乘以2的n次方 ；
得到的结果相加就是十进制码。
例：
格雷码为1011011
二进制码为：1101101
十进制码为：1*26+1*25+1*23+1*22+1*20=109 风向值为：WD=109*2.8125=307
结构原理—风速传感器工作原理
新型自动气象站发展
DZZ5—华云升达（北京）气象科技有限责任公司
新型自动气象站发展
DZZ6—中环天仪（天津）气象仪器有限公司
新型自动气象站发展
DZZ1-2—广东省气象计算机应用开发研究所
新型自动气象站设计结构
设计思路
统一标准 统一结构 统一规范
统一功能 统一方法
硬件
采集器采用嵌入式系统 主分多采集器结构 主分采集器通信采用CAN总线
DZZ4自动气象站结构组成
DZZ4自动气象站设备外观及结构图
DZZ4自动气象站功能结构
雷电防护系统
长线串口 直接连通
RS232/RS422/RS485 串口通讯电缆
本地终端计算机
数据采集器系统
气象要素变换 传感器
数据采集
数据存储
数据传输 命令处理
远程无线 数据传输
GPRS CDMA1X 3G、卫星 通讯网络
温湿传感器 中的铂电阻
温湿传感器中的湿 度信号及输入电源
80～120Ω
结构原理—风传感器
ZQZ-TF型测风传感器
风速性能指标： 测量范围：0 m／s～80m／s 分辨率：0.1 m／s 精度：±(0.3+0.02 V) m/s (V-实际 风速) 起动风速：≤0.5m／s 抗风强度：≤80 m／s 输出信号: 频率 工作电压：5VDC 风向性能指标： 测量范围 0---360 分辨率：±3度
结构原理—湿度传感器工作原理
• 湿敏电容是一种具有感湿特性的电介质，其介电常数随相对湿度的 变化而变化。
• 在外界相对湿度发生变化时，作为感湿膜的高分子聚合物能对水汽 分子吸附和释放，其介电常数ε随之变化，促使湿敏电容量发生变化。 • 测湿时的输出信号为电压信号（0～1V），对应湿度为0～100%RH。
3.将格雷码转换为二进制码； 4.将二进制码转为十进制码； 5.风向WD=十进制码×2.8125.
注：若风向输出为模拟电压输出，不是格雷码输出时， 可以按照D=V*360/2.5计算风向
风向计算原理
风向电源5V （采用脉冲电压设计， 用万用表测量时电压 为0） 风速电源 5V
风向格雷码信号 （D6D5D4D3D2D1D0） 高电平为1，低电平为 0 格雷码转二进制：最高位保 留，其他各位异或运算，相 同为0，相异为1 风向估计：二进制*2.8125
换成气象电报和编制成气
象报表的地面气象观测设 备
新型自动气象站发展
全面达到WMO规定的观 测指标，形成自动化、集 约化、标准化的业务体系。
2020
1999
启动地面基本气象要 素的自动气象观测
2008
中国气象局编制《新 型自动气象站功能规 格需求书》，统一了 自动气象站设计要求。
全面提升： 201 建立完善的全自动化 业务流程和观测规范 7
200 6
五种型号的新型自动气象 站完成设计定型，在业务 中推广使用。
2015
2012
第二次跨越： 初步实现云能天自动观测，基 本建立全自动化业务流程和观 测规范。制定了地面软硬件技 术标准和集约化技术架构。
新型自动气象站发展
DZZ3—上海长望气象科技股份有限公司
新型自动气象站发展
DZZ4—江苏省无线电科学研究所有限公司
结构原理—风速传感器
ZQZ-TF型风速传感器
V=0.1f
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结构原理—风传感器接线图
ZQZ-TF型测风传感器
白 红
风向信号D0
风向信号D1
风向信号D2 风向信号D3 风向信号D4 风向信号D5 风向信号D6
紫
12 芯 插 头
棕 橙 淡蓝 黄
(空) 蓝 绿 灰 黑
风速信号WS
风速电源+5V 风向电源+5V 地 屏蔽
保存观测 记录数据， 以备查询、 处理。
数据传 输以及交 互控制命 令处理。
以太网 数据传输
计算机网络
网络计算机
自动气象站电源供电系统 电源（充电）控制器 后备电源 蓄电池 交流市电 太阳能 风力发电
DZZ4自动气象站结构原理
传感器
采集器
电源 通信
结构原理—传感器
传感器类型 传感器名称 型号
翻斗上，就不会给计量翻斗带来附加力，使
• 风速传感器的感应元件为三杯式回转架 • 信号变换电路为霍尔开关电路。
• 在水平风力作用下，风杯组旋转，通过主
轴带动磁棒盘旋转，其上的 36 只磁体形成 18 个小磁场，风杯组每旋转一圈，在霍尔
开关电路中感应出 18 个脉冲信号，其频率
随风速的增大而线性增加。 其校准方程为： V= 0.1F
V：风速，单位：米/秒 F：脉冲频率，单位：赫兹
雨量
如SL3-1，每翻斗计为0.1mm 风向(ZQZ-TF) 七位格雷码，如239度为1111111， 0度为0000000 风速(ZQZ-TF)
输出频率信号，V=0.1f
结构原理—传感器
智能型传感器
传感器内含嵌入式处理器，进行数据采样和处理，直接输 出数据。采集器按一定协议直接读取其数据。
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结构原理—风传感器接线图
风横臂
结构原理—翻斗雨量传感器
SL3-1 型双翻斗雨量传感器主要由承水器 （常用口径为20cm）、上翻斗、汇集漏斗、计 量翻斗、计数翻斗和干簧管等组成。 为了计量正确，上有上翻斗作为过渡， 以保证无论大雨、小雨，计量翻斗受到相同 的冲击力。下有计数翻斗，装有计数用的磁 钢，计量翻斗翻转一次，计数翻斗也翻转一 次，并使安装在固定支架上的干簧管吸合一 次，输出一个脉冲。由于磁钢不安装在计量
表一个风向。
结构原理—风向传感器
ZQZ-TF型风向传感器
七位格雷码盘可将风向标轴的转动角度的度数变换成二进制的数 字信号。
格雷码盘原理
格雷码盘原理
风向计算原理
1.分别测试风传感器D0-D6管脚输出电压值，其中低电 平为0，高电平为1；
2.按照从D6至D0的顺序排列电平编码即为格雷码；
DZZ4自动气象站结构与原理
自动气象站定义
AWS
Automatic Weather Stations
AWOS
Automated Weather Observing Systems
能自动进行地面气象观测、
存储和发送观测数据，并 能根据需要将观测数据转
利用仪器自动地进行观测 和发送或记录观测数据， 并根据需要，可直接地或 在一个编报站将观测数据 转换成电码形式的系统。 （WMO,1981）
嵌入式Linux操作系统
软件
新型自动气象站设计结构
DZZ4自动气象站简介
DZZ4 型自动气象站作为一种地面气象自动化观测系统， 可完成气温、湿度、气压、风向、风速、降水量、地温、
蒸发、雪深、能见度等要素的数据采集、处理、质控、存
储和传输。 它基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建，由硬件和 软件两大部分组成。 硬件包括采集器（1个主采集器和若干个分采集器）、外
极佳的可互换性和长期稳定性，广泛应
精度： 0.05℃
用于气象、水文和环保等部门。
结构原理—温度传感器工作原理
铂电阻温度传感器是根据铂电阻的电阻值随温度变化的原理来测 定温度的。
测 V1、V2 值即可求得 Rt: Rt=R0*V1/V2 温度计算公式：T=A+B*Rt+C*Rt2
恒流源 A Rt V1 R0 V2
远程中心站服务器
利用了包括： 机电转换、光电 转换、压电转 换、电-磁转换、 材料特性变化等 各种转换，把气 象要素转变为可 以进行仪器处理 的电信号。
根据传感器输 出的电信号类型 不同，采用不同 数据采集处理电 路。 对传感器输出 的模拟电信号进 行A/D转换处 理，对输出的脉 冲频率信号进行 计数或检测信号 周期处理。 对采样数据进 行计算处理，得 到相关的气象要 素观测数值。
白 黄 绿
黑
蓝 棕 紫 红
电源+12V
湿度信号 地 地 屏蔽
结构原理—温湿度智能传感器
WUSH-BTH温湿度分采集器
CANE RUNCANR
G +12V CANL CANH
G +12V RHRH+
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结构原理—温湿度智能传感器
WUSH-BTH温湿度智能传感器 主要特点
高精度气温、相对湿度测量；
WUSH-BTH
WUSH-TW100 DHC2
气压传感器
雨量传感器
DYC1
SL3-1
雨量电缆、温湿分采CAN线、电池连接线、电源线、串口线、光纤通信盒 （光线通信、模块配套电源）、光纤尾纤、蓄电池、温湿度安装支架、托盘、 小桶、量杯、万用表、水平尺、指北针、活动扳手、大十字起、小一字起、 计算机开机、安装ISOS软件、串口调试助手
部总线、传感器、外围设备四部分。
软件包括嵌入式软件、业务软件两部分。
DZZ4自动气象站结构组成
DZZ4自动气象站设备外观及结构图
DZZ4自动气象站结构组成
设备配置清单
设备名称 配置（DZZ4型）
自动站机箱
电源箱 主采集器
DZZ4
DZZ4-PD1 WUSH-BH
温湿度分采
温度传感器 湿度传感器