氣象探空儀中的數字壓力傳感器和溫濕度傳感器

氣象預測對日常生活及生產指導具有重要的意義，從古至今人們采用了各種手段來研究天氣變化，以便用于實際參考。尤其是在科技文明并不發(fā)達的農耕時代，天氣條件對農業(yè)和軍事的影響非常大。直到上個世紀六十年代以后，氣象衛(wèi)星及相關先進計算、測量技術的出現，人工天氣預報才有了比較大的進步。隨著社會的進步和發(fā)展，越來越多的工具被用到氣象預測上，搭載了氣象探空儀的探空氣球便是其中較為廉價、方便的一種。

探空氣球依靠空氣浮力上升，通過搭載的各類氣象探空儀器收集、測量所需的數據，然后傳回地面中心。其中，溫度傳感器、濕度傳感器和數字壓力傳感器是這些儀器中比較常見的測量元件，它們分別用于獲取氣球在上升時溫濕度和氣壓數據。但僅僅只測量是還不夠的，同時還需要知道測量所在的區(qū)域。因此，還需要通過GPS模塊來確定探空氣球的經緯度。而后，再結合由氣壓推算出的海拔高度，這才算是做到了真正的三維空間氣象數據測量。

我國新型探空火箭研發(fā)

2016年5月，為掌握海上災害性天氣的發(fā)生和發(fā)展過程，提高海洋氣象災害的預報精度，中國科學院大氣物理研究所無人艇研發(fā)團隊成功研制了一種基于自控駕駛的半潛式海洋氣象觀測專用無人艇。

該艇是一種自動駕駛的水面機器人，是世界上首艘可以發(fā)射探空火箭的無人艇?；谛l(wèi)星定位導航和艇載姿態(tài)傳感器等信息，該艇可實現自動部署、自動觀測、自動發(fā)射探空火箭和自動傳輸觀測數據等功能。

該艇可通過發(fā)射探空火箭，將下投式探空儀發(fā)射至指定高度，在探空儀下落過程中對中下對流層進行高精度的探測。通過探空儀攜帶的各類傳感器元件（溫濕度傳感器、數字壓力傳感器等），可準確獲取海洋邊界層內高垂直分辨的溫度、濕度、氣壓、風速和風向廓線。

探空氣球的工作原理

那么，探空氣球究竟是什么東西呢？簡單來說，作為一個載體，氣球攜帶探空儀升空，在上升過程中，探空儀測定不同高度和經緯度的溫度、氣壓、空氣濕度等氣象數據，并將其通過無線電信號發(fā)回地面。具體來說，探空儀設備上的綠色部分為探空儀采集板，連接采集板的是探臂，在探臂和采集板上共有溫度、濕度和壓力傳感器，一共是三個傳感器。

在我國，目前有120個氣象探空站，每天都會進行兩次探空氣球的放飛。收集到的數據不僅用于我國的氣象預報業(yè)務，還用于國際氣象數據交換。這也意味著，每天我國至少需要使用240個探空儀，每年需要至少8.76萬個。

探空儀中的傳感器原理與制造

總的來說，氣象高空探空儀，由對溫度、氣壓、濕度反應靈敏的傳感器感應元件及轉換電路組成。其中，數字壓力傳感器等元件的電參量隨著空氣中的溫度、氣壓、濕度的變化而變化。而轉換電路則對變化的電參量進行采集、編碼而形成探空數字信號，并通過探空儀發(fā)射機發(fā)回地面，雷達把探空數據接收下來，就得到空中不同高度的溫度、氣壓和濕度3個氣象要素的資料了。

關于壓力傳感器的選擇工采網給出的解決方案是可以用MS5607型號的，

美國MEAS 高分辨率數字壓力傳感器 - MS5607-02BA03

該數字壓力傳感器與以往的MS5534/5540//5561相比壓力的分辨率由0.1mbar（1米）提升到了0.024mbar(20cm),溫度分辨率由0.01°C提高到了0.002°C，轉換時間由之前的35ms提高到了1ms。同時測量范圍由10-1100mbar擴大到了10-1200mbar。

精度并沒有提高，仍舊是+/-1.5mbar。功耗由以前的4μA降低到了1μA。不管是MS5534/5540還是MS5561，他們的16位信號均是采用的三線SPI傳輸。而MS5607的24位數據可以選擇SPI或者I2C的方式進行信號傳輸。

溫濕度傳感器可以選擇法國Humirel 數字輸出溫濕度傳感器HTU21D：

新款數字式溫濕度復合傳感器HTU21D樹立了新的濕度傳感器的尺寸和智能化典范：采用適合回流焊的DFN封裝，尺寸僅為3 x 3 x 1mm；提供經過校正的，線性的I?C數字輸出信號。完全可互換，無需重新校正，長期飽和后迅速恢復，單獨標識，符合嚴格的追溯要求 。

在探空儀制造過程中，從出廠到升空，需要對儀器進行性能測試。比如，通過壓縮機和真空泵，改變箱體的溫度和壓力，模擬大氣壓，來對壓力傳感器準確性進行測試；利用恒溫槽進行制冷循環(huán)，模擬出氣溫變化，從而對溫度傳感器的性能進行測試；還會將濕度傳感器放入溫濕度檢測箱，對其進行檢定和校準。此外，還會對探空儀進行無線電信號測試，以檢測數據信號能否準確發(fā)射。