[00113042]一种气象传感器

1.课题来源与背景： 课题来源为公司根据市场调研结合目前国家倡导的技术领域而自主立项研发。背景：新型传感器技术作为国家重点支持的高新技术领域,是未来传感器行业发展的主要方向。在国内,气象传感器行业一直以来主要采用机械式风速风向传感器,但由于传统机械式风速风向仪具有转动部件,容易产生磨损,同时恶劣天气和沙尘、盐雾也会对其造成腐蚀。由于摩擦的存在,机械式风速风向仪还存在启动风速,即低于启动风速的微风将不能被测量。随着科技的飞速发展和超声波应用技术的成熟,国外对超声波在农业生产、海洋监测、超声波流量计、气源寻找等领域的研究和发展早已展开。国外理论与技术已经比较成熟,产品已经在航空航天、大坝、风电、气象等行业大量应用。而国内在高精度气象传感器、气象测量方面的研究起步较晚,国内对超声波在气象方面的研究近几年才陆续展开,但基本都处于研究阶段,在测量精度和可靠性方面与国外产品还有很大差别。本成果产品可以有效解决目前国内传统气象参数采集装置集成度低,机械式结构易磨损,寿命短,维护成本高,测量实时性差等技术问题。 2.技术原理： 超声波传播速度受风速影响进而增减的原理,当某种物质的内部发生机械扰动时,该物质内部就产生了声波。这种机械波扰动可以是各种形式的,表征振动特性的是频率,即单位时间（1S）内所完成的周期性运动的次数。人类所能听到的声波的范围介于20Hz到20KHz之间,当频率超过20KHz的时候称之为超声波,而低于20Hz的时候称之为次声波。 超声波与一般的声波相比,他的振动频率高、波长短、具有束射特性、可以定向传播、具有很高的穿透能力,在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减。 声波的发射和接收是通过换能器来完成的。换能器是一种可以把一种形式的能量换为另一种形式的能量的器件,而超声换能器是一种将超声能转换成电能、机械能或其他一些形式的能量的器件。可逆换能器则是指可以以相等的效率对两种形式的能量做相互转换的换能器。在超声波风速风向传感器设计中采用压电式超声波换能器。压电换能器采用压电效应的材料制成。超声波在空气中传播时,在顺风与逆风方向传播存在一个速度差,当传播固定的距离时,此速度差反映成一个时间差,这个时间差与待测风速具有线性关系。在实际的测量中,选用两对超声波换能器,保证距离不变,以固定频率发射超声波,测量两个相对方向上的超声波到达时间,由此得到顺风的传播速度和逆风的传播速度,经过软件换算即可得到风速值。 性能指标： 气象要素 测量范围 分辨率 准确度 大气温度 -40-85℃ 0.1℃ ±0.3℃ 相对湿度 0-100%RH 0.05%RH ±3% RH 典型值 风向 0-359.9度（无死角） 0.1度 ±3度 风速 0-60m/s 0.05m/s ±0.3m/s或±3%取最大值 气压 10-1100hPa 0.1hPa ±0.5hPa 雨量 0-500mm 0.01mm ±0.4（＜10mm时）,±4%（＞10mm时） 3.技术的创造性与先进性： 本项目所研发的超声波气象传感器,与传统的机械式风速风向仪相比较,其显著优势在于：启动风速为零,测量精度高,性能稳定可靠;安装简便,无机械磨损;采用独特的结构和先进的技术,保证了其具有超强的环境适应能力,终身免维护等。同时,该成果产品将是国外同类产品的替代,也是技术创新产品,作为一种对传统机械式风速风向传感器的颠覆式创新产品,在国内处于领先地位,该产品的成功研发将是对国内气象测量领域的一次重大技术革新,使得无风启动、高准确度及免维护得以实现。使用该产品能够大幅降低所应用领域里安装维护人员的工作量,从而降低工作成本。 4.技术的成熟度及适用范围和安全性： 该成果产品的技术已于2015年获得国家发明专利,技术成熟稳定,适用范围包括气象环境监测、智慧城市环境监测、机场、农业、风力发电等各个行业,安全可靠,是一种免维护的高技术产品。 5.应用情况： 该成果产品目前已经产业化应用,用户遍布气象、风电、环保、高铁及智慧城市等各领域。