一种阵列式探空温度传感器设计*

周　悦，刘清惓*，杨　杰，戴　伟，余　寅

（1.江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京210044；2.江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京210044；3.南京信息工程大学，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京210044；4.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044）

一种阵列式探空温度传感器设计*

周悦1，2，刘清惓1，2*，杨杰3，4，戴伟3，4，余寅1，2

（1.江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京210044；2.江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京210044；3.南京信息工程大学，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京210044；4.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044）

为降低传统探空温度传感器的横梁尾流热污染误差，设计了一种基于热电偶阵列的探空温度传感器。该传感器由铂电阻，四个热电偶组成的阵列，高精度测量电路等部分组成。采用计算流体动力学（CFD）软件FLUENT对探空温度传感器进行数值分析仿真计算。搭建了一套高空环境模拟实验装置。实验结果表明，使用阵列式热电偶作为探空温度传感器，可将横梁热辐射误差降低至横梁升温量的0.43%～8.72%，实验测量结果与仿真结果相差-3.02%～5.44%，吻合度较高。阵列式低辐射误差探空温度传感器和传统探空温度传感器相比，降低了横梁尾流在上升过程中对传感器探头的影响，具有较低的辐射误差。

探空温度传感器；传感器阵列；高空探测；太阳辐射；计算流体动力学

探空仪通常搭载具有良好瞬态特性的温度传感器、湿度传感器、气压计、GPS/北斗定位模块、无线发射模块等组件，由上升速度约为5～6 m/s的气球搭载，对高空温湿度、气压、风速风向等参数进行探测［1-2］。

为提高温度测量的响应速度，探空温度传感器的探头一般安装在探空仪的上部并充分暴露在空气中。为防止在校准和施放的过程中损坏探头，并降低在高空中被冰雹撞击的概率，通常利用含有顶部横梁的基板作为安装探头的框架。基板在探空仪上升过程中会因太阳辐射导致升温，因此横梁会产生高于环境温度的尾流，在一定的风切角条件下会进一步增大对探空温度传感器的太阳辐射误差，这种现象被称为探空温度传感器的“热污染”效应。

瑞士Ruffieux为辐射误差研究搭建了简易的低气压辐射风洞平台［3］，美国Schmidlin提出了探空热敏电阻传感器的解析模型［4］可较为容易地计算出太阳辐射误差。在此基础上，Luers进一步对当时应用较为广泛的棒状热敏电阻器的太阳辐射误差建立了简化模型［5-6］。但这些研究中的模型过于简化，雷诺数需依靠经验估测，无法进行准确的定量分析。而且这些学者的简化模型仅研究了太阳辐射直接对探空温度传感器造成的辐射误差，没有对基板横梁尾流的热辐射误差进行量化研究［3-6］。

随着器件加工技术水平的提高，微型热电偶探头的直径可小于传统探空温度传感器采用的珠状热敏电阻，因此其雷诺数低，对流传热系数高，有利于减小太阳辐射误差。本文设计了一种基于阵列式热电偶的探空温度传感器，不仅太阳辐射误差低于传统的基于珠状热敏电阻的传感器，且能显著降低横梁尾流对探空温度传感器的热污染效应。

1　阵列式传感器设计

阵列式热电偶传感器探头示意图如图1所示。为提高对太阳辐射的反射率，使用厚度0.6mm、高20mm、宽10mm的铝片作为传感器探头的基板，基板的横梁高5mm。由于湍流、探空仪悬挂姿态等因素的影响，基板在飞行过程中难以始终保持垂直状态，其倾角通常在±45°范围内。如仅有单个热电偶作为测温探头，则无法保证在各种风切角下该探头不受热污染影响。因此将四个线径为0.127mm的微型热电偶的热端分别固定在基板横梁下方的两侧，相邻热电偶的间隔为2mm，如图1（b）所示。四个热电偶共用同一冷端［7］，因铂电阻具有高稳定性、高精度的优点［8］，因此将铂电阻作为热电偶的冷端温度补偿器件［9］。由于高反射率铜球具有较低的太阳辐射吸收系数，因此将热电偶的冷端和铂电阻一起放在铜球中，如图1（c）所示。利用这种设计，铜球内的铂电阻亦具有较小的太阳辐射误差，从而降低了热电偶两端的温差，提高了热电偶的测量精度。

图1　传感器探头示意图

阵列式传感器电路系统原理如图2所示。温度测量电路使用24 bit Σ-Δ低噪声模数转换器（ADC）AD7794。为实现高精度温度测量，使用低噪声线性电源对ADC供电，同时采用ADR444基准电压源，为A/D采样提供基准电压。四个热电偶输出的差分模拟量通过电容滤波电路后连接到AD7794的高输入阻抗模拟输入端口。为进一步提高测量精度，利用斩波方法，使微弱电压信号的失调误差降低至μV量级。铂电阻传感器的测量采用四线制恒流源测温电路［10］，并使用Vishay公司研制的Z型金属箔精密电阻作为参考，其温度系数低达±0.05× 10-6/K，从而使实现PPM级测量精度成为可能。由Cortex-M3内核的处理器 STM32F103VCT6产生PWM波形来控制功率开关的通断，以此来控制加热电阻的功率。在处理器的引脚输出端和功率开关之间通过光耦连接，防止电流的高频分量对处理器和测量电路造成干扰［11］。

该热电偶测量电路的100组测试实验结果表明，其RMS噪声为0.0986 mK。铂电阻测量电路的测试标定实验使用了测温精度可达0.015 mK、模拟输入端噪声低至3 nV的Fluke 1595 A超级电阻测温仪，并采用了水三相点作为温度参考，从而使该系统可满足高精度探空温度测量的应用需求。

图2　电路系统框图

2FLUENT仿真分析

2.1模型建立及网格划分

探空温度传感器经Pro/E软件建立几何模型如图3（a）所示。通过ICEM CFD对几何模型进行四面体非结构化网格划分，图3（b）为温度传感器流场的非结构化网格。生成的网格需经网格质量检验，确保网格中没有负网格存在。经检验，网格最小雅克比矩阵与最大雅克比矩阵行列式的比值为0.25，网格质量良好。

图3　基板几何模型与网格划分示意图

2.2计算流体动力学求解

FLUENT是当前国际主流的CFD软件，是求解流体流动和传热问题的工具。通过FLUENT仿真分析，研究复杂对流-太阳辐射耦合热边界条件下基板周围的温度场分布，可求解出横梁升温造成的温度变化。通过仿真可获得在风切角为0°、15°、 30°和45°，海拔分别为0 km、4 km、8 km、12 km、16 km、20 km时，共24种工作环境下的温度场分布，模型中的太阳高度角为90度，温度单位为K。

图4是在20 km海拔高度下，风切角分别为0°、15°、30°和45°时的温度场分布，随着风切角的增大，横梁的温度不断升高，横梁尾流形成的温度场对传感器附近的不同位置产生了不同的影响。图5是在30°风切角下，海拔高度分别为0 km、4 km、8 km、12 km、16 km、20 km时的温度场分布，随着海拔高度的不断增大，横梁的温度不断升高，其尾流形成的温度场对传感器附近的相同位置产生的影响不断增大。

图4　海拔20 km条件下的尾流温度场

图5　风切角30°条件下的尾流温度场

2.3遗传算法拟合

遗传算法GA（Genetic Algorithm）是一种基于自然选择和基因遗传学原理的随机并行搜索算法，该算法寻求全局最优解而不需要任何初始化信息。根据CFD仿真结果，使用遗传算法拟合得到四个热电偶受尾流影响大小与海拔、风切角的关系分别如式（1～4），其中z为尾流热污染引起的热电偶测量误差与横梁升温之比，单位为%，x为风切角，单位为°，y为海拔高度，单位为km。曲面图如图6所示。

其中

图6　热电偶受尾流影响程度与海拔、风切角的关系

3　高空环境模拟实验装置设计

设计了一套可模拟探空传感器工作环境的实验装置。如图7所示，该装置由高低温低气压实验箱、电机控制的旋转机械结构、数据采集与发送系统、箱外数据接收模块等组成。

高低温低气压实验箱用于模拟高空大气环境，其气压范围为30 hPa～1 000 hPa。根据1976年出版的美国标准大气［12］可获得气压与海拔高度的数据指数函数关系，其对应海拔高度可达 0 km～20 km。支撑板安装在直流电机的上方，传感器电路板安装在支撑板的上方，基板安装在支撑板的侧边，基板风切角的角度通过量角器测量。该装置通过电机旋转模拟探空温度传感器所处的风场，此时四个热电偶的升温值即为横梁尾流对探空温度传感器的误差影响。将四个热电偶和2个铂电阻的测量结果通过电路板上的无线模块发送到实验箱外的接收与数据采集电路，再通过串口转发到PC上进行数据存储。

图7　太阳辐射误差模拟实验装置示意图

4　实验结果与分析

为获得热电偶自身的辐射误差特性，使用LED光源模拟1000 W/m2太阳辐射，使用TES1333太阳辐射仪校准LED光源的辐射强度。在0 km～20 km情况下，分别采集用LED垂直照射时热电偶的输出和关闭LED后热电偶的输出，相减后得到曲线如图8所示。实验结果表明，太阳辐射误差随着海拔上升而增大，20 km时最大，为0.265℃。传统珠状热敏电阻在20 km时的太阳辐射误差达0.5～0.6℃［13］，与之相比本文提出的热电偶温度传感器具有一定的优势。

图8　辐射误差与海拔的关系

在高低温低气压实验箱中，对横梁进行恒功率加热，测出在0°、15°、30°、45°风切角下，四个热电偶随海拔上升的热污染升温量。为了更加清楚地表示出尾流升温效应，本文进行了归一化处理，即用热电偶的升温量除以横梁升温量所得百分比作为Y轴参数。如图9所示，曲线代表仿真拟合结果，符号代表测量值。表1为风切角为30°时，使用单个热电偶与使用阵列式热电偶的结果对比；表2为海拔高度20 km时使用单一热电偶与使用阵列式热电偶的结果对比。

图9　CFD仿真和实验测量结果对比

表1　风切角30°情况下单个热电偶与使用阵列式热电偶的结果对比

表2　海拔高度20 km情况下单个热电偶与使用阵列式热电偶的结果对比

仿真结果中，在探空中较常见的30°风切角环境下，在低空中横梁升温0.45℃。如仅有单个热电偶，则横梁热污染引起的热电偶升温达0.07℃；若有四个热电偶，则受横梁热污染最小的热电偶升温仅0.001℃。20 km高空环境中横梁升温2.65℃，如仅有单个热电偶，则横梁热污染引起的热电偶升温达0.758℃；若有四个热电偶，则受横梁热污染最小的热电偶升温仅0.001℃。

根据测量结果，在探空中较常见的30°风切角环境下，在低空中横梁升温0.46℃。如仅有单个热电偶，则横梁热污染引起的热电偶升温达0.083℃；若有四个热电偶，则受横梁热污染最小的热电偶升温仅 0.002℃。20 km高空环境中横梁升温2.18℃，如仅有单个热电偶，则横梁热污染引起的热电偶升温达0.652℃；若有四个热电偶，则受横梁热污染最小的热电偶升温仅0.077℃。

5　结论

为降低传统探空温度传感器受横梁尾影响引起的热污染误差，提出了一种由四个热电偶和一个铂电阻构成的阵列式温度传感器。利用CFD仿真与遗传算法获得了热电偶受尾流影响大小与风切角、海拔高度的函数关系。仿真结果表明，如仅有单个热电偶，则横梁热污染引起的热电偶升温量与横梁升温量的比值范围为11.15%～40.06%；使用阵列式热电偶，则受横梁热污染最小的热电偶升温量与横梁升温量的比值可降低到0.04%～8.24%范围内。

为验证CFD仿真结果，设计搭建了低气压模拟实验装置。实验结果表明，如仅有单个热电偶，则横梁热污染引起的热电偶升温量与横梁升温量的比值在8.13%～41.65%范围内；使用阵列式传感器，则受横梁热污染最小的热电偶升温量与横梁升温量的比值缩小至0.43%～8.72%范围内。实验测量结果与仿真结果相差在-3.02%～5.44%，吻合度较高。热电偶传感器在0～20 km海拔高度的太阳辐射误差为0.004 1℃～0.265 0℃，低于相同海拔下传统珠状热敏电阻的误差值。

本文提出的这种传感器不仅可显著降低尾流热污染引起的升温误差，其太阳辐射误差亦低于传统的热敏电阻传感器，不仅可用于业务探空仪，亦有望在参考级探空仪中获得应用。

［1］陈文浩，黄见秋.片上加热电容式湿度传感器研究［J］.传感技术学报，2015，28（3）：315-319.

［2］孙凯.探空式气象检测微系统的研究与应用开发［D］.南京：东南大学，2006.

［3］Ruffieux D，Joss J.Influence of radiation on the Temperature Sensor Mounted on the Radiosonde［J］.J Atmos Oceanic Technol，2003，20：1576-1582.

［4］Schmidlin F J，Luers J K，Hoffman P D.Preliminary Estimates of Radiosonde Thermistor Errors［J］.NASA Tech，1986：2637-2653.

［5］Luers J K.Estimating the Temperature Error of the Radiosonde Rod Thermistor Under Different Environments［J］.J Atmos Oceanic Technology，1990，7：882-895.

［6］Luers J K，Eskridge R E.Temperature Corrections for the VIZ and Vaisala Radiosondes［J］.J Appl Meteor，1995，34：1241-1253.

［7］孙凯，秦明，张中平，等.基于微控制器的风速计在线控制和测量系统设计［J］.传感技术学报，2006，19（3）：682-685，689.

［8］张瑜，张升伟.基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统设计［J］.传感技术学报，2010，23（3）：311-314.

［9］郭锐，徐玉斌.K型热电偶冷端补偿方案［J］.仪器仪表学报，2006（S1）：331-333.

［10］胡鹏程，时玮泽，梅健挺.高精度铂电阻测温系统［J］.光学精密工程，2014（4）：988-995.

［11］李霆霆，张明，潘明俊.一种MHz光耦隔离放大器的设计与分析［J］.电子学报，2014（7）：1398-1402.

［12］NOAA.US Standard Atmosphere［M］.Washington DC：US Government Printing Office，1976.

［13］刘清惓，戴伟，杨荣康，等.探空温度测量太阳辐射误差的流体动力学分析［J］.高原气象，2013，32（4）：1157-1164.

刘清惓（1979-），男，博士。2002年获东南大学硕士学位，2006年获加州大学戴维斯分校博士学位。目前任南京信息工程大学教授、博士生导师。主要研究方向为MEMS传感器技术、气象探测，q.liu@ieee.org；

周悦（1990-），男，南京信息工程大学硕士研究生，主要研究方向为传感器设计及其信号处理，510794445@qq.com。

Design of an Array-Based Sounding Temperature Sensor*

ZHOU Yue1，2，LIU Qingquan1，2*，YANG Jie3，4，DAI Wei Jie3，4，YU Yin1，2
（1.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210044，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，Nanjing 210044，China；3.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China；4.School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China）

In order to minimize measurement error induced by heated air flow，commonly named as"heat contamination"，an array-based sounding temperature sensor，that consists of platinum resistance thermometer，an array of four thermocouples and a precision measurement circuit，is proposed.FLUENT，a computational fluid dynamics（CFD）software，is employed to perform numerical simulation of the sensor.A low-air-pressure experiment platform is constructed to simulate high altitude environment.Experimental results indicate that the solar radiation error resulted from the heat contamination considerably will decrease to 0.43%～8.72%by using array of four thermocouples as sounding temperature sensor.The difference between experimental results and simulation results are-3.02%～5.44%，which shows that the experimental results agrees with the simulation results.This array-based sensor is able to reduce the error resulted from the heat contamination considerably.The sensor also features relatively small radiation error，compared to traditional bead thermistor sounding temperature sensors.

sounding temperature sensor；sensor array；upper air observation；solar radiation；computational fluid dynamics

TP212.1

A

1004-1699（2016）08-1297-08

EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.08.029

项目来源：国家公益性行业（气象）科研专项项目（GYHY200906037，GYHY201306079）；国家自然科学基金项目（41275042）；江苏高校优势学科建设工程（“传感网与现代气象装备”项目）（KYLX15_0866）

2016-01-08修改日期：2016-04-18