PAGE1單元標題：第七章GTS1型數(shù)字探空儀探空儀結(jié)構(gòu)第二節(jié)探空儀的技術(shù)指標教學時數(shù)：（2）學時，其中理論（2）學時，實驗（0）學時，上機（0）學時，其他（0）學時：教學目的與要求：掌握GTS1型數(shù)字探空儀結(jié)構(gòu)：探空儀外形、發(fā)射機、智能轉(zhuǎn)換器、濕度傳感器、探空儀盒蓋、保溫材料、電池。了解探空儀的技術(shù)指標。主要教學內(nèi)容：GTS1型數(shù)字探空儀探空儀結(jié)構(gòu)：探空儀外形、發(fā)射機、智能轉(zhuǎn)換器、濕度傳感器、探空儀盒蓋、保溫材料、電池、技術(shù)指標。。教學重點與難點：GTS1型數(shù)字探空儀發(fā)射機、智能轉(zhuǎn)換器、濕度傳感器、探空儀盒蓋、電池的構(gòu)成，主要技術(shù)指標。課后作業(yè)：1、GTS1型數(shù)字空儀特點和用途？2、GTS1型數(shù)字探空儀構(gòu)成？3、發(fā)射機頻率調(diào)諧螺絲和RP1的作用和調(diào)整方法。4、GTS1型數(shù)字探空儀的主要性能如何？課后體會：通過教學，學生對GTS1型數(shù)字探空儀結(jié)構(gòu)有了基本了解，包括GTS1型數(shù)字探空儀外形、發(fā)射機、智能轉(zhuǎn)換器、濕度傳感器、探空儀盒蓋、保溫材料、電池、技術(shù)指標等部分。第七章GTS1型數(shù)字探空儀特點：采用全電子傳感器和副載波二進制數(shù)字代碼遙測的方法，具有良好的抗同頻干擾能力，探測技術(shù)高、采樣速度快、抗干擾能力強等特點，實現(xiàn)了數(shù)字化、模塊化，整體性能接近世界同類產(chǎn)品先進水平。用途：與GFE（1）型二次測風雷達相配合，可綜合探測到地面至30km范圍內(nèi)，不同高度的大氣溫度、氣壓、相對濕度和風向風速。第一節(jié)探空儀結(jié)構(gòu)探空儀由溫度傳感器、濕度傳感器、智能轉(zhuǎn)換器（含氣壓傳感器）、發(fā)射機、電池五部分構(gòu)成。一、探空儀外形外殼表面涂有防雨透明膠，具有良好的防水性能和反射率，是安放智能轉(zhuǎn)換器、發(fā)射機、濕敏電阻、電池之用（熱用電阻出廠時已焊接在支架上），并把它們組合成整體。熱敏電阻支架在施放時要從盒蓋內(nèi)翻轉(zhuǎn)出來，盒蓋內(nèi)部裝有濕敏電阻插座，盒蓋前部和防雨蓋內(nèi)壁有防輻射黑紙，使盒蓋既能防濕敏電阻受雨淋，又能防止太陽直接輻射的影響，同時構(gòu)成空氣流動的通道，減小濕敏電阻的滯后誤差。電池從紙盒側(cè)面放入盒內(nèi)，電池靠近發(fā)射機一端，可以減少電池熱量造成的測溫誤差。二、發(fā)射機發(fā)射機全部零件及可集成塊、晶體管等電子元件均牢固地安裝在印制電路板上。頻率調(diào)諧螺絲是一個半可變電容器，調(diào)節(jié)銅螺絲的位置可改變其電容量的大小，順時針旋轉(zhuǎn)螺絲電容量增大，頻率降低；逆時針旋轉(zhuǎn)螺絲電容量減小，頻率升高。RP1可用來調(diào)整測距應(yīng)答“鼓包”和“缺口”狀態(tài)；插頭XP3，用來連接智能轉(zhuǎn)換器。三、智能轉(zhuǎn)換器智能轉(zhuǎn)換器的全部電子元件、氣壓傳感器和測量氣壓傳感器溫度的熱敏電阻均牢固地安裝在印刷電路板上。插座XP1與探空儀盒蓋的傳感器插頭連接；插座XP2與電池連接；插座XP3與發(fā)射機連接。測量氣壓傳感器溫度的熱敏電阻引出導線十分細，使用時注意避免將導線碰斷。四、濕度傳感器濕敏電阻一旦取出必須使用，在空氣中暴露時間過長，會影響測濕精度。五、探空儀盒蓋溫度、濕度傳感器安裝在盒蓋上，測溫熱敏電阻出廠時已焊接在白色支架上，施放前將支架翻出接近150°。XS1插頭與智能轉(zhuǎn)換器連接。六、保溫材料探空儀在出廠時，發(fā)射機和智能轉(zhuǎn)換器已經(jīng)連接并置放在F型的保溫盒內(nèi)，施放前需將電池保溫盒打開，裝入浸泡好的鎂電池。發(fā)射機置于保溫泡沫盒內(nèi)時，必須與底部相接觸好，如有空隙，需墊上塊狀泡沫填滿空隙，以避免發(fā)射機在施放過程中與智能轉(zhuǎn)換器斷開，造成信號突失。七、電池鎂氯化亞銅注水式電池，遇水就會產(chǎn)生化學反應(yīng)消耗能量，,時間越長能量消耗越多。為了避免鎂電池在貯存期內(nèi)發(fā)生這種情況，裝在塑料袋內(nèi)的電池，在抽除袋內(nèi)空氣封口后，將5只或10只裝入密封的鐵罐盒內(nèi)。從鐵罐盒內(nèi)取出的電池，其塑料袋應(yīng)緊貼在電池上，否則說明塑料袋已經(jīng)漏氣，這種電池使用時要特別注意。第二節(jié)探空儀的技術(shù)指標一、測量性能1、量程溫度：50℃—-90℃；濕度：0%—100%RH；氣壓：1060hpa—5hpa。2、測量范圍和校準不確定度（標準差）溫度：40℃—-80℃，校準不確定度：△T≤±0.2℃。50℃—40℃或-80℃—-90℃，校準不確定度：△T≤±0.3℃。濕度：15%—95%RH，校準不確定度：環(huán)境溫度-25℃以上，△U≤±5%RH；環(huán)境溫度-25℃以下，△U≤±10%RH。氣壓：1050hpa—10hpa。校準不確定度：氣壓在500hpa以下，△p≤±2hpa；氣壓在500hpa以上，△p≤±1hpa。二、電氣性能1、發(fā)射機載波中心頻率：1671MHz±3MHz。載波頻率占用范圍：1668—1675MHz。發(fā)射功率：P≥400mW。調(diào)制方式：調(diào)幅。淬頻頻率：800kHz±15kHz。副載波頻率：32.7kHz±0.5kHz。天線增益G：≥1dB。接收靈敏度：≤20μw/m。三、智能轉(zhuǎn)換器副載波頻率：32.7kHz±0.5kHz。數(shù)字信號傳輸方式：數(shù)字1狀態(tài)，發(fā)射機受800kHz調(diào)制。數(shù)字0狀態(tài)，發(fā)射機受32kHz方波調(diào)制；32kHz在高電平時，關(guān)閉發(fā)射機；0電平時發(fā)射機受800kHz調(diào)制。傳輸速度：1200Baud（1200數(shù)據(jù)/秒）。采樣周期：t≤1.5秒。數(shù)據(jù)內(nèi)容：時間、探空儀編號、測量要素代碼。四、電池電壓：±13.5V～±12.5V；電流：≥10mA；放電時間：≥90分鐘；單元標題：第七章GTS1型數(shù)字探空儀第三節(jié)

探空儀的工作原理教學時數(shù)：（2）學時，其中理論（2）學時，實驗（0）學時，上機（0）學時，其他（0）學時：教學目的與要求：掌握探空儀的基本工作原理，了解溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、智能轉(zhuǎn)換器、發(fā)射機的組成和感應(yīng)原理。主要教學內(nèi)容：探空儀的基本工作原理，了解溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、智能轉(zhuǎn)換器、發(fā)射機的組成和工作原理教學重點與難點：探空儀的基本工作原理，溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、智能轉(zhuǎn)換器、發(fā)射機的組成和工作原理。課后作業(yè)：1、GTS1型數(shù)字探空儀的工作原理如何？2、溫度傳感器阻值范圍如何？3、濕度傳感器的構(gòu)成和使用原理？比阻值的定義？4、智能轉(zhuǎn)換器主要功能如何？課后體會：通過教學，使學生對GTS1型數(shù)字探空儀的基本工作原理有了一定的認識，基本掌握了溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、智能轉(zhuǎn)換器、發(fā)射機的組成和工作原理第三節(jié)

探空儀的工作原理基本原理：探空儀升空中，熱敏電阻、硅壓敏電橋、濕敏電阻分別隨大氣的T、P、U變化而改變阻值大小或輸出電壓大小，這些變化值通過智能轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成不同的二進制數(shù)據(jù)。智能轉(zhuǎn)換器同時將這些探測到的氣象資料信息，調(diào)制到期1675MHz發(fā)射機上，使其產(chǎn)生不同的工作狀態(tài)，向地面GFE（1）型測風雷達發(fā)射T、P、U無線電二進制代碼和測距應(yīng)答脈沖，以完成0—30Km垂直高度的溫、壓、濕、風向和風速的綜合探測。一、傳感器1、溫度傳感器：采用GPW2型棒狀熱敏電阻，在測量溫度范圍內(nèi)（55℃—-90℃），阻值限定在9KΩ—700KΩ，阻體長10mm，直徑1mm左右，表面有高反射率涂層，短波反射率＞93%，但長波吸收率＞90%。GPW2熱敏電阻出廠時已焊在探空儀紙盒盒蓋內(nèi)的白色塑料支架上。氣壓附溫測量采用GPW3型棒狀熱敏電阻。阻體長6.5mm，直徑0.65mm，其安裝在氣壓傳感器外殼內(nèi),用膠水封固。為了實現(xiàn)熱敏電阻測溫功能，首先要進行熱敏電阻的溫度特性校準，以獲得R—T特性曲線。特性校準點數(shù)量根據(jù)R—T特性的計算公式確定，在保證測量精度的基礎(chǔ)上，盡量減少校準點避免浪費校準工時。GPW2熱敏電阻的長短波輻射帶來到誤差經(jīng)過訂正，可保證高空測溫精度。（1）輻射誤差訂正探空儀熱敏電阻的溫度元件存在著長波輻射誤差、太陽輻射誤差及滯后誤差，對這些誤差需要進行訂正。熱敏電阻溫度元件不同，其誤差大小不同，其誤差訂正方法由廠家提供，現(xiàn)以直徑為1mm的白色桿狀熱敏電阻為例加以說明：=1\*GB3①長波輻射誤差（PDTL） 其中：F：溫度元件接收到的長波輻射；T：溫度元件絕對溫度（K）；Nu：為努塞特數(shù)： 其中：PW：通風量： 其中：P(I-1)、P(I)為相繼兩分鐘相應(yīng)的氣壓（hPa），I為施放后的分鐘數(shù)。=2\*GB3②太陽輻射誤差（1）日高角計算：施放到第I分鐘時的日高角h（o）： 式中參數(shù)x=sin(h)(注：當參數(shù)x=1時，h為90°) 其中：：為度轉(zhuǎn)化為弧度的系數(shù)，其值為2π/360；：是測站緯度(o)；：為太陽視赤緯(rad)： 其中：為以弧度計的施放日期角： 其中：DAYN：全年累計到上月底的總天數(shù)；DAY：當月施放日期；：時角（弧度）： 其中：BT為施放到第I分鐘的北京時（小時）,LGT是測站經(jīng)度(度)，為時差（分），是真太陽時與平太陽時之差。計算法： 其中：HOUR：施放瞬間(北京時)小時數(shù)，MIN：施放瞬間分鐘數(shù)，I：施放后的分鐘數(shù)。計算法： 其中：為以弧度計的日期角。=3\*GB3③輻射誤差計算公式太陽輻射誤差(PDT)： 其中：h：日高角（°）REF：地氣系統(tǒng)（特別是云頂）的反射率： 其中：CH：云層厚度（km）：云量，滿天有云時Nc為1。 A為太陽輻射強度隨氣壓和日高角變化的削減因子： 其中：P(0)、P(I)分別為地面及施放I分鐘后的氣壓（hPa），h為日高角（°）。Nu：努塞特數(shù)。如探空儀在云層以下，應(yīng)再除一云層削減因子，即： 其中：DH：上面各層云的總厚度（千米）。（2）滯后誤差熱敏電阻的滯后系數(shù)（s）經(jīng)理論計算和實驗測試驗證為： 其中：Nu：努塞特數(shù)；K：空氣的導熱系數(shù)，可用以下公式近似計算：K=0.2+(10000-H)/213000 H<10000mK=0.2 H≥10000m 其中：H：探空儀高度。滯后誤差DT為： 其中：為探空儀測得的大氣溫度變化率。2、濕度傳感器：采用XGH-02高分子濕敏電阻。具有測量范圍廣，互換性好，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點。XGH-02型濕敏電阻是一片帶有電極的有機玻璃基片，其片上浸漬了按一定比例混合攪拌的羥乙基纖維素HEC（吸濕材料）、碳黑（導電材料）、Tx-100和三梨醇（漲力輔助材料）。此可知XGH-02型濕敏電阻是黑色的，感應(yīng)材料是裸露的，因此手只能接觸基片的兩邊電極，同時它需要防太陽照射和雨淋；需要一定的通風量來保證傳感器正常工作，為此在探空儀的外殼上設(shè)計了防曬、防雨的通風道放置濕敏電阻。濕敏電阻是一次性使用的元件，因此XGH-02型濕敏電阻出廠時置于密封的內(nèi)玻璃管內(nèi)，外玻璃管內(nèi)放有干燥劑，以保證濕敏電阻元件長期處于干燥的環(huán)境中。濕敏電阻是一種二元特性傳感器，它的電阻變化除了主要受相對濕度影響外，還有一定的溫度系數(shù)，探測過程中需要通過軟件進行溫度修正，這樣才能保證探空儀升空中全量程的測濕精度。由于濕敏電阻的阻值隨時間變化而有所漂移，因此在使用過程中采用濕敏電阻的比阻值來表示相對濕度。所謂比阻值就是用某一相對濕度（如0%RH），做為參考值，其它濕度的阻值與其相比。這就是探空儀使用前需要輸入基值電阻的原因。3、氣壓傳感器：采用24PC型硅阻固態(tài)壓力傳感器。24PC硅阻固態(tài)壓力傳感器在工作范圍（約1個大氣）內(nèi)具有良好的彈性和重復性。影響壓力傳感器性能的誤差包括如下幾個方面：零點溫度漂移、靈敏度溫度漂移、線性誤差、重復性誤差、遲滯誤差、機械遲滯、溫度遲滯等。據(jù)廠家提供的技術(shù)資料表明，所有誤差都在最大值的情況下總誤差之和可達5.57%，當然這種可能性是極小的。但既使零點溫度漂移、靈敏度溫度漂移最大值也分別能達到1%，遠遠超出了探空儀的技術(shù)指標，因此需要進行全量程的溫度補償。GTS1型探空儀壓力傳感器采用軟硬件溫度補償方法，補償動態(tài)范圍大、精度高、成本低、同時改善線性度。二、智能轉(zhuǎn)換器智能轉(zhuǎn)換器主要功能是將各類傳感器的物理量，按照一定的格式轉(zhuǎn)換成二進制代碼。1、電路智能轉(zhuǎn)換器由單片機、積分器、比較器、多路開關(guān)、放大器、振蕩器等電路組成。2、A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器采用軟件雙積分A/D轉(zhuǎn)換方案，轉(zhuǎn)換精度超過14位，并對溫度影響采取了多種補償措施，在50℃——-35℃范圍內(nèi)的實際轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于萬分之三。為了降低探空儀的成本，提高數(shù)據(jù)可靠性，各傳感器所測量的氣象信息要素值轉(zhuǎn)換由地面設(shè)備中的計算機，根據(jù)各個探空儀檢定數(shù)據(jù)進行處理，故智能轉(zhuǎn)換器不能帶外部EPROM芯片，各個探空儀檢定數(shù)據(jù)按規(guī)定格式存入3.5英寸軟盤，隨探空儀一起提供給臺站。利用單片機(MC68HC705J1A)內(nèi)的定時器/計數(shù)器和積分器做硬件支持，可實現(xiàn)軟件雙積分A/D轉(zhuǎn)換。積分器采用高輸入阻抗的LF353運算放大器和電阻電容構(gòu)成，積分器電阻、電容值由基準電壓和積分時間決定；積分器輸出接比較器LF353運算放大器；積分器輸入接CD4052(雙四選一)開關(guān)電路的輸出；CD4052的四個輸入端中一個接負基準電壓、一個接待轉(zhuǎn)換正電壓、另外兩個接積分器輸出，四個輸入端工作時序受單片機控制；待測電壓來自8選1開關(guān)電路CD4051；CD4051的八個輸入端分別接正基準電壓、熱敏電阻、濕敏電阻、壓力轉(zhuǎn)換電壓和溫度補償熱敏電阻，另有三個輸入端接數(shù)字地可作擴展用，八個輸入端工作時序受單片機控制。3、單片機705JIA單片機的A口有8位雙向端口，B口有6位雙向端口。組成128個探空儀系列號；是A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出口?？刂艭D4051和CD4052轉(zhuǎn)換開關(guān)電路時序。比較器LF353輸出控制單片機中斷口。單機片輸出的數(shù)據(jù)和副載波32.7kHz信號，經(jīng)過失密特觸發(fā)器（74HC14）反相和與非門4011處理后，數(shù)字“1”為低電平，數(shù)字“0”為高電平；副載波32.7kHz信號受到數(shù)字“0”調(diào)制。單片機時鐘頻率為4MHz。4、基準電壓基準電壓由穩(wěn)壓管TL431產(chǎn)生，再經(jīng)LF353功率放大。5、副載波振蕩器副載波32.768KHz振蕩器由32.768KHz晶體、電阻電容和LF353運算放大器產(chǎn)生。6﹑放大器兩個單運算放大器OP07用來放大PC24硅壓敏電橋輸出電壓。三、發(fā)射機1、超高頻發(fā)射機超高頻晶體管、高Q值微帶線、可微調(diào)電容、鞭狀天線W與地網(wǎng)及構(gòu)成超高頻發(fā)射機。這種超高頻發(fā)射機精加工少，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，頻率調(diào)諧方便。是一個半可變電容器，調(diào)節(jié)銅螺絲的位置可改變的電容量，順時針旋轉(zhuǎn)螺絲電容增大，頻率降低；逆時針旋轉(zhuǎn)螺絲電容減小，頻率升高。穿芯電容、用作超高頻濾波。2、超再生工作狀態(tài)GTS1型數(shù)字探空儀的超高頻發(fā)射機除了發(fā)送T、P、U氣象要素信息，還要接收地面雷達發(fā)射的詢問信號，因此還必須具有接收機的功能。為了使同一振蕩電路具有收發(fā)兩種功能，它只能處于超再生工作狀態(tài)（既間歇工作狀態(tài)）。超再生工作狀態(tài)所產(chǎn)生的脈沖寬度和間歇振蕩重復頻率決定于、、、、和供電電壓。這種自調(diào)制超再生電路的接收靈敏度極低，必須在間歇振蕩的休止時間內(nèi)增加淬頻信號，以提高超再生接收的靈敏度。3、淬頻振蕩器淬頻振蕩器由V8、R7、R8、、R9、R10、R11、C6、C7、C8和變壓器L構(gòu)成，頻率為800kHz。淬頻振蕩器調(diào)制在超高頻發(fā)射機RC放電回路中，其正半周的某一部分使放電電壓能夠達到超高頻發(fā)射機“起振閥電壓”，使超高頻發(fā)射機振蕩；而其負半周某一部分必須使超高頻發(fā)射機停止振蕩。也就是超高頻發(fā)射機受到淬頻振蕩器800kHz的調(diào)制。這是一種特殊的調(diào)制，能夠保證超高頻發(fā)射機的振蕩處于“欠飽和”狀態(tài)，這樣超高頻發(fā)射機在遇到地面雷達詢問脈沖信號時，就能夠達到“飽和”狀態(tài)，使振蕩幅度增大，產(chǎn)生應(yīng)答“鼓包”和“缺口”。如何保證達到這種特殊工作狀態(tài)呢？這就是下面所解介紹的“同步”問題。超高頻發(fā)射機間歇工作狀態(tài)：在τ時間內(nèi)發(fā)射機工作，由于基極回路的電阻電容（R5、R6、RP1、C10、C11）值較大（時間常數(shù)大），因此在τ時間內(nèi)基極電壓不斷下降，直至達到超高頻晶體管V9載止電壓，發(fā)射機停振。在T-τ時間內(nèi)，C10、C11積累的電子通過R5、R6、RP1放電，V9基極電壓緩慢上升直致達到V9開啟電壓，由于振蕩回路的正反饋，發(fā)射機又開始工作。周而復始前面所述過程，這就是超高頻發(fā)射機自調(diào)制間歇振蕩的原理。在超高頻發(fā)射機間歇工作狀態(tài)的條件下，在V9的基極回路中增加了kHz正弦波調(diào)制，由于V9基極回路放電電壓與800kHz正弦波正半周相加，使V9基極提前達到振蕩電壓，超高頻發(fā)射機工作，正弦幅度較低小，因此每三個正弦波才能夠超大型高頻發(fā)射機工作一段時間，由于超高頻發(fā)射機的重復頻率為800kHz的三分之一，所以在“同步”理論中稱之為三分頻同步狀態(tài)。