气象科技管理信息系统

气象科技管理信息系统

当前位置:首页 / 科技成果 / 成果展示 / 正文阅读

行业专项成果综述-冻雨传感器研制

发布者:张岳   来源:   发布时间:2019/1/10 16:32:41   标签:   浏览次数:123

项目编号GYHY201306067

研究周期2013年1月—2015年12月

国拨经费271万元

项目负责人】张宏伟

项目骨干成员】李旭光、刘俊杰、张弛、张彬彬、张淇海、郑海欣、曹凯明、周枫、杨震、徐文隆、翁玲、韩力英、王莉、吴焕丽、梅海洋、于建辉、于晓丽、李锦坤、何 振、赵佳龙、周志炜、王晔、夏航、陈敬元

项目承担单位中国华云气象科技集团公司

项目协作单位】贵州省大气探测技术与保障中心、河北工业大学、北京迪辉科技有限公司、哈尔滨华云泰科传感技术有限公司

主要研究成果

冻雨传感器研制项目自20131月立项以来,经过4年不间断的研发和试验,分别取得了下列成果。

1.在探针材料的筛选上的研究,项目组根据传感器的需求,通过试验评估了多种具备磁致伸缩特性的材料,最终确定使用1J233J58分别制作成探针,来做实际的原理样机测试。在测试中发现3J58在同等激励强度下,磁致伸缩量更大,冰层覆盖后的带载能力更强,所以更适合做成探针测量冻雨。

2.在探针的形状、壁厚及约束的研究,选定3J58作为探针材料后,做成三种不同壁厚的探针(0.3mm0.5mm0.7mm),同等壁厚(0.5mm)做成三种不同长度(20mm25mm30mm),同等壁厚和长度下(0.5mm25mm)下约束长度分别(4mm5mm6mm)的情况下探针的伸缩特性、带载能力、频率动态范围、频率重复稳定性等多个方面进行评估,最终选定探针技术指标(0.5mm25mm5mm)作为传感器最终使用指标。

3.探针驱动方式的研究:在驱动电路方面,项目组也做了很多尝试,在恒磁场的选择上,首先选择了钕铁硼永磁作为恒磁场,因磁场强度调整不够灵活,多次试验后改为电磁线圈产生恒磁场,可以更灵活的调整磁场强度。在驱动线圈的选择,研发人员首先理论计算了驱动线圈的电感量和匝数,又在理论数据的指导下加工多种线径线圈,微调线圈的电感量和匝数。通过试验选取最佳的信号驱动和信号拾取线圈。

4.探针谐振频率点研究,当探针和驱动方式确定后,需要做的就是探针谐振频率点的提取了,首先按照传统的方式,搭建LC振荡电路,探针作为电感的铁芯,探针质量发生变化后,有线圈和探针组成的电感体的电感量发生改变,谐振频率也随之发生改变,理论上没有问题,但多次试验发现,由于加工工艺等多方面影响,每个传感器的谐振点都不一样,需要外加匹配电容来匹配谐振频率,随着电感量的变化,整个谐振单元很容易失谐。造成测量不准甚至不能测量。所以研发人员大胆创新,设计出了扫频的方案。扫频的方案的理论依据是物体的在其本身谐振频率下振幅最大以及物体的谐振频率与本身质量相关。在不同的频率驱动下,边改变探针的驱动频率,边测量探针振动振幅。在探针空载谐振频率(f-200)到(f+2000)的范围内不停的周期性扫描,并实时记录当前的谐振频率点。

5.加热及快速冷却装置的研究,为了冻雨传感器能够连续的额测量,当结冰积累到一定程度后,必须融冰然后继续测量,所以必须增加一个加热装置。起初的设计是在传感器外壳靠近探针的壳体上增加了两组加热棒,试验中发现,虽然融冰的效果能够达到,但是由于整个壳体一起升温,导致融冰速度慢,加之壳体的热容量大,使得冷却时间很长。研发人员通过研究把探针加热和壳体约束部位加热分开,一部分直接作用在探针上,一部分作用在探针的支撑部位,这样每次融冰既保证探针的冰层快速融化,也保证了支撑点不积冰,另外还增加了伞状部件,保证了连续积冰后不会对探针造成影响。另外还增大了壳体的体积和散热装置,使得融冰后冻雨传感器尽快进入下一轮的测量过程中去。

6.电路的研究:根据冻雨传感器的需求,除设计了合理的信号驱动和信号拾取电路,还设计了告诉的ADC采集电路,保证数据采集速度达到1MH z,利用DSP进行了数据的DFT处理,准备的测量单次测量的幅值。另外还设计了加热控制电路、RS232RS485通讯电路、时钟电路以及数据存储电路。

7.软件的设计:冻雨传感器软件设计包含频率扫描模块、数据采集模块、加热控制模块、数据通讯模块、积冰当量运算模块、数据存储模块及总体控制逻辑。

8.静态测试:工程样机完成之后进行了研发的静态测试,包括测量范围、测量精度、环境适应性的测试、电磁兼容性测试等多方面测试。

9.外场试验:经过静态测试后,4套冻雨传感器放在冻雨多发地贵州的开阳、万山和威宁进行了为期两年的外场试验,并实时记录每一次冻雨过程的数据与实时的温、湿、风、压及电线积冰数据,测试结果显示本项目研发的冻雨传感器符合项目实施方案中对传感器各项技术指标的要求,可以应用到实际观测中去。

 

 

成果应用情况

冻雨(凝冻)容易发展成比较强自然灾害,对当地人的交通安全、通讯安全、输电安全、农业生产等多个方面带来危害,对冻雨的有效观测,可以提高对冻雨自然灾害的预警能力,把灾害后果降到最小。所以在冻雨多发地区开展冻雨的观测也是很有必要的。

项目组在冻雨传感器在研发之初的想法就是研发一款真正能在实际业务中得到应用的设备,所以从探针选择—扫频设计—控制逻辑设计—时钟存储设计—数据输出格式设计—外观设计等多个方面都参照了中国气象局对其它业务应用设备的要求,以便项目完成后成果转化。

2015年来,项目组在贵州进行了为期两年的外场观测,开阳2套自研+坎贝尔参考样机(0872F3)、万山1套自研、威宁1套自研。项目组委托三个国家级站点协助观测,制定了《冻雨传感器运行监控表》、《冻雨天气现象记录表》、《xxxxxxxx-xxxxxxxx时电线积冰、温度、湿度观测数据记录表》等监控文件。记录表详细记录了冻雨发生时间段内电线积冰、空气温度、空气湿度情况以及冻雨传感器数据、传感器探针积冰的图片,环境中植被、栏杆等表面积冰图片,以备日后的数据分析。

通过对20151-20163月及201612-20173月间贵州三个国家级站点数据分析可知,本项目设计的冻雨传感器能够满足项目任务书中各项技术指标的要求,能够在实际观测环境中连续稳定的运行,观测数据有效可用。

结合冻雨传感器数据与电线积冰传感器数据的比较,冻雨传感器更敏感,能够连续不间断的测量,输出分钟数据。能够观测到低于0.1mm的冻雨发生、电线积冰靠人工用卡尺测量,观测次数少,只能观测到可见的大于等于1mm以上的冰层,并且经常因为观测时间点与冻雨发生时间不在同一时间段,造成微小的冻雨过程被忽略。冻雨传感器观测数据经过质控后,不会出现误报数据。因为是连续的观测,可以连续记录整个冻雨的过程,可以计算每个时间段的冻雨发生强度,可以实时预报,为冻雨灾害预警提供了依据,减小国家和人民的财产损失。

2018年中国气象局探测中心准备在贵州、湖南两个冻雨多发地区开展冻雨的观测试验。项目组检查了现场的4套设备,三年来,三套设备在威宁、万山稳定运行。开阳由于迁站原因,前段时间设备断电,重新上电检查,设备能够正常运行。进一步验证了本项目研发的冻雨传感器性能稳定。

总结三年来外场试验的经验、结合中国气象局对冻雨观测的要求,项目组还需要解决以下问题:

1.改进加热部分设计、提高加热效率、减少融冰的时间;

2.在外场试验调整后的新外壳设计,验证效果;

3.与中国气象局探测中心尽快结合,得到符合中国气象局要求的功能规格需求书;

4.改善传感器的生产工艺,达到批量生产能力;

        5.项目组争取快速批量生产,尽快把本项目研发的冻雨传感器应用到业务观测中去。

设为首页 | 加为收藏 | 网站介绍 | 联系我们
版权所有:中国气象局  网站维护:中国气象局气象干部培训学院
业务咨询:010-68406632 技术支持:010-68406578/68409227
地址:北京市海淀区中关村南大街46号 邮编:100081 EMAIL:kjgl@cma.gov.cn 京ICP备 15008089号-2
访问次数[10132507] 当前在线[0]