CN102944323A - 一种基于真均方根转换器的温度脉动仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于真均方根转换器的温度脉动仪，包括两个传感器、传感器支撑杆、和以真均方根计算器AD637为核心计算电路的电路板单元；所述传感器包括直径8μm的抛光合金白钨丝和支架，抛光白合金钨丝用于测量温度脉动信号，所述支架包括镀银铜杆和耐高温管，镀银铜杆一端设置凹槽，耐高温管套在耐高温管外部，抛光合金白钨丝两端固定在两个镀银铜杆的凹槽中。本发明的优点在于：通过对真均方根转换器AD637的应用，简化了电路结构，降低了制作成本，保证了温度脉动仪的高灵敏度性能，具有很高的精度，提高了测量结构的准确性。

Description

一种基于真均方根转换器的温度脉动仪

技术领域

本发明属于一种测量大气光学参数的电子测量仪器，具体是一种基于真均方根转换器的温度脉动仪。它主要适用于大气科学研究，以及气象、航空、激光大气传输、军事等领域。

背景技术

温度脉动仪主要应用于大气光学湍流测量。从20世纪70年代初至今，美国、德国和印度等国家已研制了一系列温度脉动仪，在研制方法的可靠性和成熟度上不断得到提升。如，Darryl和David设计的直流电桥的温度脉动仪，Demos设计的探空气球和飞机搭载温度脉动仪等均可测量大气湍流廓线。在国内，中国科学院安徽光学精密机械研究所最先开展了温度脉动仪研制工作，利用温度脉动仪进行了大量的实验研究，在国内得到了普遍认可。80年代初，曾宗泳等研制一种间歇供电直流电桥式温度脉动仪，进行了大量的近地面大气光学湍流测量，而后又研制了温度脉动探空仪，用于整层大气光学湍流廓线测量。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种基于真均方根转换器的温度脉动仪。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于真均方根转换器的温度脉动仪，包括两个传感器、传感器支撑杆、和以真均方根计算器AD637为核心计算电路的电路板单元；所述传感器包括直径8μm的抛光合金白钨丝和支架，抛光白合金钨丝用于测量温度脉动信号，所述支架包括镀银铜杆和耐高温管，镀银铜杆一端设置凹槽，耐高温管套在耐高温管外部，抛光合金白钨丝两端固定在两个镀银铜杆的凹槽中，所述传感器支撑杆的两端各支撑一个传感器；所述传感器支撑杆单元采用长1m的铝合金管；电路板单元包括电压差测量单元、滤波放大单元和均方根计算单元；电压差测量单元主要包括恒流源、方波发生电路、开关电路、采样保持器、惠斯通电桥和差分放大电路，通过方波发生电路和开关电路控制惠斯通电桥的供电时间，为传感器间歇式提供恒电流；两个传感器作为惠斯通电桥的两个测量臂，其电压值经差分放大电路进行差分计算，得到电压差信号；该电压差信号是与方波同步的不连续信号，经采样保持器进行采样、保持、放大后，得到连续变化的信号，然后进行滤波和补偿放大；滤波放大单元按照大气湍流频谱分布设置通频带；均方根计算单元对滤波放大处理过的信号进行均方根计算，并对输出信号进行偏置补偿和阻抗匹配。

本发明的优点和效果为：

1温度脉动仪的传感器采用了特殊的设计，传感器材料选用了直径8μm的抛光合金白钨丝，降低了太阳辐射引进的测量误差，提高了传感器的响应频率；传感器支架的凹槽增加了钨丝与支架的有效接触面积，耐高温管降低了支架所产生热辐射对测量精度的影响。

2在温度脉动仪电路设计中，通过真均方根计算器AD637计算温度差信号的均方根，芯片内部由模拟器件组成。相对于数字计算电路，这种信号处理方法简化了电路结构，降低了制作成本，减小了数模转换引进的测量误差，提高了对大气湍流高频谱的测量精度。

附图说明

图1为基于真均方根转换器的温度脉动仪的传感器结构示意图；

图2为基于真均方根转换器的温度脉动仪的信号流程框图；

图3为本发明在实验场所测大气折射率结构常数日变化情况。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

1、温度脉动仪设计原理

大气折射率结构常数通常用来描述光学湍流的起伏强度，可以定量描述大气湍流对光波传输的影响。根据Kolmogorov的局地均匀各向同性理论，可以得到大气折射率结构常数的计算公式如下：

$C_n^2={(79\×{10}^{-6}\frac{P}{T^2})}^2{C}_T^2---\left(1\right)$

$C_T^2=\frac{<{[T(x+r)-T\left(x\right)]}^2>}{r^{2/3}}---\left(2\right)$

式中：C_T ²为温度结构常数，T为热力学温度，P为大气压强，r为空间两点的距离，＜[T(x+r)-T(x)]²＞为空间两点的温度差平方的系综平均值。

由式(1)和(2)可知，如果气压P、温度T、距离r和温度差的系综平均值都为已知量，可计算得到大气折射率结构常数C_n ²。气压P和温度T通过常规气象仪器测量可得，使用米尺和游标卡尺等工具可以精确距离r，温度差的系综平均值需要对温度脉动仪的测量数据进行反演计算得到。

由上述方法可知，温度脉动仪应当包括两个传感器和一块信号处理电路板，两个传感器用于测量空间两点的瞬时温度，信号处理电路板用于计算传感器测量的温度差及其均方根。

2、基于真均方根转换器的温度脉动仪传感器设计

参考图1，本发明的传感器结构示意图。在各种温度传感器中，铂热电阻丝具有较高的响应频率和温度系数，符合温度脉动测量的要求，因此采用金属丝电阻器作为温度脉动仪传感器，在进行金属丝的选材时着重考虑温度脉动仪对灵敏度和响应频率两个主要参数的要求。金属丝的电阻越大，温度脉动仪的灵敏度越高；金属丝的直径越小，温度脉动仪的响应频率越高；金属丝反射率越大，太阳辐射对温度脉动仪测量结果的影响越小。基于以上几点和市场供应能力，选用直径为8μm的抛光白钨丝制作传感器。

支架设计必须保证：①金属丝裸露在空气中；②不破坏大气湍流空间结构；③支架释放的热辐射对金属丝的影响可以忽略；④支架在电流回路中的电阻值可以忽略。因此传感器的支架选用了如图1所示的结构设计，包括镀银铜杆1和耐高温管2，镀银铜杆1一端设置凹槽3，耐高温管2套在耐高温管2外部，抛光合金白钨丝4两端固定在两个镀银铜杆1的凹槽3中，传感器支架的凹槽3增加了抛光合金白钨丝4与支架的有效接触面积，耐高温管2降低了支架所产生热辐射对测量精度的影响。

3、基于真均方根转换器的温度脉动仪电路设计

参考图2，根据温度脉动仪的测量原理，温度脉动仪电路部分功能上应当实现：测量两个传感器的电压差并对其进行放大和滤波，然后进行均方根计算并输出均方根信号，并通过电路设计最大限度降低环境热交换的影响。按照此功能划分，电路分为三个单元，即电压差测量单元、滤波放大单元和均方根计算单元。电压差测量单元主要包括恒流源、方波发生电路、开关电路、采样保持器、惠斯通电桥和差分放大电路，通过方波发生电路和开关电路控制惠斯通电桥的供电时间，为传感器间歇式提供恒电流，在提高传感器工作电流的前提下而不增加等效电流，有效地提高了灵敏度，同时降低了金属丝欧姆加热对测量结果的影响。两个传感器作为惠斯通电桥的两个测量臂，其电压值经差分放大电路进行差分计算，得到电压差信号。该电压差信号是与方波同步的不连续信号，经采样保持器进行采样、保持、放大后，得到连续变化的信号，然后进行滤波和补偿放大。滤波放大电路按照大气湍流频谱分布设置通频带，根据主要芯片的动态范围合理分级放大测量信号。均方根计算单元对滤波放大处理过的信号进行均方根计算，并对输出信号进行偏置补偿和阻抗匹配。按照如上设计思路，完成了温度脉动仪的电路设计。

4、基于真均方根转换器的温度脉动仪制作与测量

温度脉动仪集成，需要将传感器和电路板在电气和物理上有效的连接在一起，传感器安装在合理的位置，电路板添加必要的包装以满足工作和存储环境的要求，为需要连接的外部设备提供兼容的接口。

两个传感器的距离是由大气湍流的特征尺度决定的，根据近地面大气湍流特征尺度的分布规律，将该距离选定为1米。因此，采用长度为1米的铝合金管固定传感器，并用细导线从管内穿过，连接电路板。电路板用螺丝固定在防水塑料盒内，并将4芯(+Vs、-Vs、GND、Signal)航空接头安装在防水塑料盒上，作为温度脉动仪与外部设备连接接口。

基于真均方根转换器的温度脉动仪制作完成后，选用DT80智能数据采集器采集温度脉动仪信号，进行了连续测量实验，得到了1天连续24小时的测量数据，对测量数据取5分钟平均后，绘制了数据日变化曲线图，如图3所示。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于真均方根转换器的温度脉动仪，其特征在于，包括两个传感器、传感器支撑杆、和以真均方根计算器AD637为核心计算电路的电路板单元；所述传感器包括直径8μm的抛光合金白钨丝和支架，抛光白合金钨丝用于测量温度脉动信号，所述支架包括镀银铜杆和耐高温管，镀银铜杆一端设置凹槽，耐高温管套在耐高温管外部，抛光合金白钨丝两端固定在两个镀银铜杆的凹槽中，所述传感器支撑杆的两端各支撑一个传感器；所述传感器支撑杆单元采用长1m的铝合金管；电路板单元包括电压差测量单元、滤波放大单元和均方根计算单元；电压差测量单元主要包括恒流源、方波发生电路、开关电路、采样保持器、惠斯通电桥和差分放大电路，通过方波发生电路和开关电路控制惠斯通电桥的供电时间，为传感器间歇式提供恒电流；两个传感器作为惠斯通电桥的两个测量臂，其电压值经差分放大电路进行差分计算，得到电压差信号；该电压差信号是与方波同步的不连续信号，经采样保持器进行采样、保持、放大后，得到连续变化的信号，然后进行滤波和补偿放大；滤波放大单元按照大气湍流频谱分布设置通频带；均方根计算单元对滤波放大处理过的信号进行均方根计算，并对输出信号进行偏置补偿和阻抗匹配。

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