新型自动气象站传感器工作原理及测试方法研究

宋中玲， 张 静

(1.淄博市气象局，山东 淄博 255048；2.高青县气象局，山东 高青 256300)

0 引言

气象观测是气象工作的基础。气象观测资料的准确性和时效性是做好天气预报服务、气候资源开发和气象科研等工作的基本保证。目前，我国国家级地面气象观测站已基本实现了自动化地面气象观测系统全覆盖。以新型自动气象站为核心、以综合硬件集成技术为手段的自动化系统，对台站业务人员的维护、维修水平提出了更高的要求。国内很多专家，如陈冬冬[1]、赵宝义等[2-7]，对新型自动气象站的结构原理及维护、维修方法进行了介绍。本文着重于总结自动站各类传感器的测试方法，并提出针对性的建议，以帮助业务人员尽快掌握和提升新型观测设备维护维修技术，保障自动化观测业务的稳定运行。

1 新型自动气象站及传感器工作原理简介

目前，我国国家级气象观测站运行的地面观测系统是基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建的新型自动化测量系统，具有高精度、高稳定、易维护、低功耗、易扩展的优越性，同时具备实时远程监控功能。

1.1 新型自动气象站的结构

新型自动气象站结构如图1所示。

图1 新型自动气象站结构图

新型自动气象站是由主采集器、各要素传感器、电源和通信系统组成的综合观测系统，可以通过分采集器扩展配置传感器。主采集器直接配置的气象要素传感器接口包括：气压、气温、相对湿度、风向、风速、雨量、能见度、蒸发等传感器。分采集器按照采集要素种类分为：温湿度、地温、气候、辐射、土壤水分、海洋观测等。

1.2 各类传感器工作原理

传感器通常由敏感元件和变换元件组成，能够感应被测量要素，并按照规律转换成可用信号输出。根据所测量的气象要素的不同，一般将传感器安装于防辐射装置或直接置于大气中，以实时感应气象要素的变化，并输出相应电信号。输出电信号通常有电压、电阻、电容、电流、频率等。通过电转换原理读出气象数据，完成测量。

不同要素传感器的信号类型均不同。该文着重介绍了目前气象观测业务使用的气象要素传感器。各要素传感器信号类型及测量原理见表1 。

表1 传感器信号类型及测量原理

2 各类传感器检查测试方法

2.1 温度传感器

2.1.1 温度传感器工作原理

温度测量原理如图2所示。

图2 温度测量原理图

温度传感器感温元件为Pt100铂电阻，根据铂电阻的电阻值随温度变化的原理来测量温度，其准确度和稳定性依赖于铂电阻元件的特性。Pt100电阻值随温度的变化而变化，在0 ℃时的电阻值R0为1 040 Ω。以0 ℃作为基点温度，在温度t时的电阻值Rt为Rt=R0(1+αt+βt2)。其中：α、β为系数，经标定，可以求出其值[8-10]。在气温、地温传感器中采用四线制测温度。为了维护、维修方便，可以将此公式近似为Rt=100+0.385t。

2.1.2 温度传感器测试方法

采用上述方法进行同端、异端电阻值测量时，若同端电阻为无穷大或万用表无数值显示，可判定传感器内部线路已断；如果异端电阻值为无穷大，说明铂电阻已损坏。

2.2 湿度传感器

2.2.1 湿度传感器工作原理

湿度传感器采用维萨拉公司生产的新一代湿敏电容传感器。该传感器由湿敏电容和转换电路两部分组成。传感器置于大气中，大气中的水汽会透过上电极进入介电层；介电层吸收水汽导致介电系数发生变化，使电容量随之变化。电容量的变化与相对湿度的变化成正比。电容变量值经外围电路转换输出电压信号，0～1 V对应相对湿度0%～100%。可据此计算出相对湿度数值。湿度测量原理如图3所示。

图3 湿度测量原理图

2.2.2 湿度传感器测试方法

湿度传感器输出信号的测试方法如下。测量前，首先给湿度传感器提供稳定的12 V电源。因湿度传感器输出信号为电压，用万用表20 VDC电压档测量“信号+、信号-”两端电压U值，并根据RH=U×100%进行计算。将计算结果与实际相对湿度进行比较：如果相差不大，可判定传感器正常；反之，则表明传感器故障。

在供电正常情况下， 若计算值和当前相对湿度差别很大或万用表电压无输出，说明湿度传感器损坏或线路已断。

2.3 风向传感器

2.3.1 风向传感器工作原理

风向传感器由风向标组件和角度变换电路组成，后者包括格雷码盘和光电电路。有风时，风向标组件随风向旋转，每转过2.812 5°,光电变换电路便输出一组新的七位并行格雷码。

2.3.2 风向传感器检查测试方法

工作状态检查：连通自动站并开机，指北杆与平衡锤组件的尖端指向同一方向时，输出角度为0°。顺时针转动风向标，查看自动站输出角度是否相对应。若一一对应，表明仪器运行正常。

输出信号的测试方法如下。将电缆插头和传感器相连，使输出信号接入主采集器。将风向传感器固定在某一角度，提供稳定5 V或12 V供电电源，用万用表20 VDC档测量D6～D0这7根线和地线之间的电压，电压值接近5 V标记为1，低于1 V标记为0。将所得7组数据对照格雷码和风向对应表,得出风向数据。根据该数据，判断是否与实际风向一致。若一致，说明风向传感器和指北方位皆正常；若不一致，检查指北方位。若指北方位正确，则将风向标顺时针转一圈；若缺少某个方位，则说明格雷码盘损坏。

在没有格雷码和角度对应表的情况下，可以根据万用表所测的七组格雷码数据，按D6～D0的顺序，先将格雷码转换为二进制码；然后将所得二进制码转换为十进制数，再乘以风向分辨率2.812 5°，即可得到所测风向角度。

2.4 风速传感器

2.4.1 风速传感器工作原理

风速传感器由三杯式感应器和信号变换电路组成，变换电路为霍尔开关电路。有风时，风杯组在空气的水平运动作用下旋转。每旋转一圈，霍尔开关电路感应出18个脉冲信号。随着风速的增大，其频率线性增加，线性方程为V=0.1F(其中：V为风速；F为频率)。据此即可得到相应风速数据。

2.4.2 风速传感器测试方法

风速传感器输出信号的测试方法如下。风速输出为频率信号，风杯转动时，直接用万用表的频率档可以测出频率数据；再根据公式计算相应的风速值。如其与实际值相比差别不大，则风速传感器正常。手动旋转风杯时，风速值一般不会超过12 m/s。若无数据输出，说明线路有故障；若风速值大于15 m/s，说明主机电路故障。

如果万用表无频率档，也可以用测电压的方法测出风速传感器是否正常。采用该方法时，应提供稳定的5 V或12 V电源，或将接线端子接在主采集器上，用万用表20 VDC档测量风速信号线与地之间的电压值。风杯转动时，输出电压为3 V左右；风杯静止时，电压值应接近0 V或5 V。如果无电压值，则说明风传感器故障或主采集器到风传感器之间的线路断开。

2.5 气压传感器

2.5.1 气压传感器工作原理

气压传感器采用硅电容式数字气压传感器。其感应元件为单晶硅膜盒，具有卓越的压滞特性、高可靠性、高准确性、高稳定性、免维护等特点。该传感器的工作原理为：当外界大气压发生变化时，会引起膜盒内电容量改变，故可根据该变化值来计算本站气压。目前使用的气压传感器自身带RS-232C串行通信接口，可直接读取气压值。

2.5.2 气压传感器检查测试方法

气压传感器安装于主采集箱内。安装时应切断电源，注意避免阻塞静压管。华云PTB210型气压传感器直接接入主采集器，接线线序为粉、绿、灰、蓝，分别对应主采集器的12 V、R、T、G接口，通过计算机终端直接读取气压数据。无锡DYC1型气压传感器通过线缆与主采集器连接，若无数据，则检查线缆是否连接正常。

2.6 超声波蒸发传感器

目前，业务运行中使用的蒸发传感器为超声波传感器，由蒸发桶、水圈、溢流桶、测针等组成。该仪器利用连通器原理和超声波测距原理，将 E601B型蒸发器内水面高度变化转换成电信号输出。

输出信号的测试方法:用万用表测量蒸发传感器输出信号，电流值正常情况下为4～20 mA。根据测得电流值，用下列公式进行计算，得出蒸发量数据。

(1)

式中：Ec为蒸发水位；I为所测电流。

3 结束语

据统计，新型自动站故障由传感器原因导致的异常占80%以上，因此各类传感器的检测方法在实际业务中应用广泛。本文分类总结了目前运行的地面气象观测业务中各类传感器的工作原理及测试方法，列出了各观测要素的计算公式，给出了传感器检测流程。对不同传感器在测试过程中可能出现的问题进行了分析，以帮助业务技术人员掌握简单基本程序式的故障检测方法。这样有助于保障技术人员在今后工作中应不断总结经验，优化检测流程，更好地保障气象观测业务运行。