基于专家PID控制的云水含量传感器设计

本文设计了一种基于热线法的便携式微型云水含量传感器。该传感器探头采用环形加热片和测温铂电阻的新结构,保证了加热的均匀性和测温的准确性。通过理论公式推导和流体仿真,传感器设计的可行性得到了进一步验证,并得出云水含量与加热片加热功率之间的函数关系。采用32位STM32F103C8T6芯片为核心,其性能保证了传感器系统的稳定性。通过专家PID控制算法实时控制传感器迎风面温度。仿真结果表明:专家PID系统的响应速度更快,适应性更强。为进行实验测试,搭建了风洞实验平台。通过实验测量,当测试云水含量值为0.5 g/m^(3)时,加热片加热功率为1.4 W,计算出实际值为0.58 g/m^(3),满足设计要求。

火箭下投式探空温度传感器设计

针对传统探空仪飞行高度难以突破至30~80 km的问题,设计了一种用于探测30~80 km高空大气环境的火箭下投式探空仪,包括一种以热电偶组成阵列的探空温度传感器,可降低高空太阳辐射引起的温度测量误差。首先,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对不同尺寸的热电偶温度探头开展辐射误差数值求解研究。其次,利用CFD方法计算出表面涂覆了不同太阳辐射吸收率材料的热电偶探头的辐射误差,通过各个探头之间的辐射误差比值推算出环境温度。再次,利用支持向量机(support vector machine,SVM)算法对太阳辐射误差数值求解结果进行数据融合处理。最后,搭建低气压风洞、太阳模拟器实验平台,开展实验验证研究。实验结果表明,火箭下投式探空仪搭载的温度传感器的测量误差平均值为0.107℃,误差均方根为0.22℃。

地面气温观测系统设计与实验研究

为提高大气温度测量的准确度,本文设计了一种新型地面气温观测系统并推导了相应的辐射误差修正方程。首先,利用计算流体动力学(CFD)方法对该测温系统进行结构优化设计以及辐射误差量化计算。然后,利用BP神经网络算法拟合可针对多变量变化的辐射误差修正方程。最后,以076B型强制通风测温仪器的测量值作为温度基准,验证该测温系统的测温精度。实验结果表明,该新型地面气温观测系统的测量值与基准温度的均方根误差(RMSE)和绝对误差(MAE)分别为0.031℃和0.041℃。

基于计算流体动力学方法的气温观测仪器设计与辐射误差研究

受太阳辐射影响,地面气温观测仪器测量值与自由空气真实温度偏差较大,误差达1℃量级。基于此,文章设计了一种既可以有效阻挡太阳辐射直接照射测温探头,又可以引导气流流向测温探头的地面气温观测仪器。经实验验证,文章研制的气温观测仪器的测量结果与基准值之间的平均绝对误差和均方根误差分别为0.030℃和0.035℃,达到了0.1℃量级的技术要求。

用于气象站的地表气温观测仪器的设计与实验研究

大气科学研究对地表气温观测精度有高达0.1℃甚至0.05℃的需求。然而,现有的地表气温观测仪器受到太阳直接辐射、下垫面反射辐射、长波辐射和散射辐射等影响,辐射误差可达1℃。本文设计了一种基于导流装置的地表气温观测仪器。首先,利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法量化该仪器在各种环境条件下的辐射误差;然后,在此基础上,利用极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM)方法拟合可针对多变量变化的辐射误差订正方程;最后,为验证该仪器的观测精度,进行了外场比对实验。在实验过程中,以076B型强制通风气温观测仪器的测量值作为温度基准。实验结果表明,该仪器的平均辐射误差和最大辐射误差分别为0.07℃和0.15℃。该仪器辐射误差的实验测量值与订正方程提供的辐射误差订正值之间的平均偏移量、均方根误差和相关系数分别为0.033℃、0.028℃和0.703。

地面气象测量温度传感器的设计与实验研究

根据国家基准气候站和基本气象站的记录,近54年来我国年平均地表气温变化幅度为1.3℃。然而实际测量过程中,观测站采用的百叶箱和防辐射罩的辐射误差通常可达1℃以上。为了降低辐射误差,提出了一种地面气象测量温度传感器。该传感器包括导流通风防辐射罩、高反射率铂电阻探头、高精度嵌入式温度采集系统及误差修正算法。首先,通过计算流体动力学(CFD)方法计算不同环境因素下的辐射误差;然后,利用反向传播(BP)神经网络算法进行拟合仿真得到辐射误差修正公式模型;最后,在室外综合观测基地对此温度传感器测量精度进行验证。结果表明:温度传感器的修正值与参考值的误差ΔT平均值为0.052℃,均方根误差为0.039℃,有望将辐射误差降至0.1℃以内。