智能型大气参数综合测量仪 【技术领域】
本发明涉及一种用于大气参数综合测量的仪器，尤其能在野外条件下(如高空、海洋)对待测目标点的风速/风向、气压、温度、湿度等重要环境参数以及目标所处的位置等地理参数实施精确测量的仪器。
技术背景
风速与风向代表着大气环流的运动状况，在很大程度上预示着污染物的扩散和传播程度，因此，风速/风向测量是大气环境监测的重要参数，也是非常重要的气象要素。环境温度、湿度、气压是非常重要的气象要素，描述了大气环境状况，也是大气环境监测的重要参数。
目前，传统的测量方法落后，而且功能单一，一般只能用于地表大气环境参数的测量。能测量风速的仪器称为风速测量仪(简称风速仪)，主要有风杯风速表、桨叶式风速表、热力式风速表等。能测量风向的仪器称为风向测量仪(又称风向标，简称风标)。能测量温度的仪器称为测温仪(又称温度计)，能测量湿度的仪器称为测湿仪(又称湿度计)，能测量大气压的仪器称为气压计。在实际应用中，如果只需要对某个参数进行测量，当然只需选用相应的一种仪器即可；但是，如果需要同时监测多个大气环境参数，就得同时选用多个相应的仪器，这样就显得很不经济，不仅浪费大量的人力物力，而且会影响测量结果的准确性和可信度。
现有能探测高空气压、温、湿度、风向和风速的方法主要有飞机探测、火箭探测以及卫星遥感和地面遥感探测等，但是这种测量方法耗资巨大。
现有大气环境参数测量仪器的智能化程度低，操作复杂，很容易造成人为误差，影响测量精度。
综上所述，目前现有的大气环境参数测量，存在测量方法落后、功能单一、智能化程度低、准确度低以及耗资巨大等诸多弊端。
【发明内容】
本发明的目的在于避免上述现有技术中地不足，提出了一种基于大气参数的综合测量模式的“智能大气参数综合测量仪”。
在该综合测量仪中，有测量大气温度、湿度、气压、风向风速等大气参数的各个传感器及测量电路，能同时对大气的温度、湿度、气压、风向风速等大气参数进行实时测量，这与现有测量仪器(功能单一)对比，该仪器具有对多种参数进行综合测量的特色，因此，综合测量模式是本发明的一个重要创新点。本发明提出了“大气参数的目标定时/定位测量模式”，在该综合测量仪中，有计时器和卫星定位系统，能准确的确定待测目标点的地理位置和测得大气参数的时间，即对测得大气参数的时间和地点的实现了自动赋值，因此定时/定位测量模式是本发明的一个重要创新点。本发明提出了“大气参数的智能化测量模式”，该综合测量仪的工作过程，由单片机统一控制，实现了大气参数综合测量的智能化。本发明提出了“对测量结果的有/无线数据传输模式”，用户可根据实际需要选择有线或无线数据传输模式，将测试结果送到专门的测试中心。如果是近距离测试，可选用有线数据传输模式；如果是远距离测试，尤其是在野外(如山头、高空、海洋等场所)可选用无线数据传输模式。
本发明基于上述测量模式和数据传输模式，研制了一种能测量大气温度、湿度、气压、风向风速等大气参数的综合测量仪器，称之为：智能大气参数综合测量仪。
本发明提供一种能对一定区域内某目标点的大气参数(如温度、湿度、气压、风向风速等)进行综合测量，并把观测到的大气参数(或气象要素)进行数据处理，而且具有对测量结果进行显示、存储、打印及数据传输等功能。
本发明所涉及的智能型大气参数综合测量仪，由传感器组件、多路转换装置、信号处理装置、卫星定位装置、智能化测量装置组成。传感器组件由温度传感器1、湿度传感器2、气压传感器3、风向风速传感器4组成；多路转换装置为程控多路转换开关5；信号处理装置由信号调理器6、A/D转换器7组成，信号调理器6的输出与A/D转换器7的输入相连；卫星定位装置为全球卫星定位模块8；智能化测量装置由单片机9、键盘10、数显单元11及数据输出终端12组成，键盘10、数显单元11及数据输出口12分别与单片机9相连。
温度传感器1、湿度传感器2、气压传感器3、风向风速传感器4的输出分别与程控多路转换开关5的输入相连，程控多路转换开关5的输出与信号调理器6的输入相连；A/D转换器7的输出口及全球卫星定位模块8的输出口同时与单片机9的数据输入口相连，程控多路转换开关5、全球卫星定位模块8及键盘10分别与单片机9的控制口相连，数显单元11及数据输出终端12同时与单片机9的数据输出口相连。
附图说明：
图1为智能大气参数综合测量仪的组成原理框图。
图2为智能大气参数综合测量仪的工作原理框图。
图3为测温PN结的V-T特性图。
图4为测温PN结恒流偏置电路图。
图5为温度设置电路图。
图6为温度定标电路图。
其中：1为温度传感器，2为湿度传感器，3为气压传感器，4风向风速传感器，5为程控多路转换开关，6为信号调理器，7为A/D转换器，8全球卫星定位模块，9为单片机，10为键盘，11数显单元，12数据输出终端。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1能同时对大气的温度、湿度、气压、风向风速等大气参数进行实时测量，这与现有测量仪器(功能单一)对比，该仪器具有对多种参数进行综合测量的特色，促进了大气参数测量技术的多功能化发展。
2 能准确的确定待测目标点的地理位置和测得大气参数的时间，即对测得大气参数的时间和地点的实现了自动赋值，这是现有大气参数测量仪器不可比拟的。
3智能化技术也是本发明的主要特色之一，整个系统由单片机统一管理和控制，并具有数据处理、数据分析和数据存储功能，智能化程度高，操作使用方便。
本激光测量仪能同时对一定区域的各种大气参数进行综合测量，同时，能给出被测目标的地理位置参数即对目标进行定位，并能分析、计算、存储、显示测量结果。
本大气参数综合测量仪广泛适用于环境保护、气象研究等部门，实现对大气的温度、湿度、气压、风向风速等参数的综合测量，具有广阔的市场前景。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明进一步说明如下：
智能大气参数综合测量仪由传感器组件、多路转换装置、信号处理装置、卫星定位装置、智能化测量装置组成，其组成原理框图如图1所示。
智能大气参数综合测量仪的工作原理示意图如图2所示。传感器组件将大气温度、湿度、气压、风向风速等非电量转换成相应电信号，分别送入多路转换装置的程控多路转换开关，程控多路转换开关在单片机的程序控制下，分别将各传感器得到的信号送入信号处理装置进行信号放大和模/数转换，再送入单片机进行处理，经单片机处理后的测量结果可直接送入数显单元进行显示或送入数据输出终端进行数据传输。同理，卫星定位装置的定位信号也是在单片机的程序控制下，送入单片机，经单片机处理后送显示或送入数据输出终端。整个系统在单片机系统10的控制下协调工作。
下面给出温度测量电路的实施例：
从经济与实用的角度考虑，选用测温PN结作为温度传感器。测温PN结的结电压随温度上升而下降，且灵敏度约为：-mV/℃，其工作温度范围约为：-50℃～+200℃。其V-T特性如图3所示。该测温PN结在-50℃～100℃温度范围内线性度较好，这正好满足该系统测温的要求。
测温PN结恒流电路如图4所示，电路中基准电压由稳压管2DW7C提供，其稳压值约为6.2V。由此可知其恒流值为(这是该测温PN结的最佳偏流值)：
ID＝UW/R1＝6.2/5.1K≈1.2mA (1)
式(1)中，ID是测温PN结的电流，UW是稳压二极管2DW7C的端电压。
从图4中可以看出：当温度变化时，测温PN结电压变化，即运算调理器的输出端电压产生变化。因此，电路D点电压UD即为测温电压。
值得注意的是：当温度为0℃时，PN结电压并不为0，因此要作如下处理：如果外加参考电压与0℃时的起始电压相减，互相抵消，就将使0℃时输出为0V；大于0℃时输出为正电压；小于0℃时输出为负电压，这样读数就比较直观了。为此，设计了温度设置电路如图5所示。
图5中，电压基准由稳压二极管DW2和IC1B产生，其大小为：
VO＝VD(1+R4/R5)
(2)
＝6.2(1+ 6.8K/10K )≈10.3V
图5中O点基准电压为10.3V，B点送显示器，C点送比较器比较。
采用场效应管IRF730以提高电路效率。这里，VB＝-VC，其大小0～10.3V可调(调RW1)。RW1为温度设置电位器。
最后是解决温度定标问题。定标时，高、低端分别定标。在低端，以冰水混合物温度为零点温度；在高端，以沸水的温度为定标温度。温度定标电路如图6所示。
图6中D点为测温二极管端电压，O点为10.3V的基准电压，A点为测温电压输出端，其输出电压为：
VA=-R14R13(VD+VO′)---(3)]]>
=-R14R13(VD-R11R10VO)]]>
考虑到VD＝V0D-kt，V0D是PN结零点电压，k为PN结的温度/电压系数，t为温度，则有：
VA=-R14R13((V0D-kt)-R11R10VO)---(4)]]>
=-R14R13[(V0D-R11R10VO)-kt]]]>
因此，在冰点处，调节R11，使V0D=R11R10VO]]>，确定零点；在高温处，调节R14，使VA=R14R13kt=0.1V]]>，由此确定V-T变化率，这属于点斜定标。0.1v代表1℃，则90℃为9V。由于测温PN结的电压是随温度线性变化的，因此，显示数据与被测温度具有一致性。
同理，选用相应的湿度传感器、气压传感器、风向风速传感器等可设计出相应的测量电路。