基于CFD的地表温度传感器的设计与实验研究

地面温度变化速度为每10年升高0.1℃,然而受太阳辐射的影响,在实际测量时传统防辐射罩会产生约1 K量级的太阳辐射误差.为提升地表温度测量精度,降低工作能耗,本文设计了一种基于压电振片振动加速传感器探头辐射热量扩散的温度传感器.首先利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法计算温度传感器在多物理因素下的辐射误差,然后使用神经网络算法对数据进行拟合分析,最后搭建外场实验平台,将传感器放置在真实环境中来验证方案的可行性.实验结果表明,本文提出的地表温度传感器具有较高的温度测量精度,其修正值与基准值的绝对误差和均方根误差分别为0.041℃和0.055℃,也验证了神经网络算法修正效果的优越性.

基于CFD与BFGS的四加热湿度传感器设计

针对湿度传感器在高空气象探测时因表面覆盖水凝物引起沾湿误差的问题,提出了一种具有加热冷却功能的四加热湿度传感器。为实现对加热策略的优化设计,将传感器的工作周期分为4个阶段:加热阶段、稳定阶段、冷却阶段和测量阶段。首先,采用计算流体动力学(CFD)方法计算出4个阶段对应的时间;接着,利用拟牛顿法中使用较多的BFGS算法进行数据拟合,得到加热时间和冷却时间的修正公式;最后,以低气压风洞作为实验平台,开展外场喷雾实验进行对比验证。实验结果表明:四加热湿度传感器加热时间的修正值与实验值差值绝对值的平均值为0.112 s,均方根误差为0.133 s;冷却时间的修正值与实验值差值绝对值的平均值为0.801 s,均方根误差为0.959 s。开启加热时,传感器可以减小10%以上的测量误差,由此验证了该方法的可行性。