声表面波传感器结合露/霜点仪测量技术在大气湿度探测方面的应用研究

Condensation dew point hydrometer is the only way to achieve high accuracy instrument measuring humidity in the whole temperature range. Since widely using the method of optical dew / frost point detection, some problems such as dew / frost point recognition, mirror surface contamination, optical components dewing and icing (low temperature), and so on, cause fail test or measurement errors, under atmospheric sounding conditions. Trying to solve these problems, can cause test interrupt and measuring time increases. When a surface acoustic wave (SAW) meets obstacles with different densities, different masses and other different physical characteristics, its propagation speed, magnitude, and some other parameters will be changed. Detecting the changes can thus calculate some parameters and characteristics of obstacles. Combining SAW sensor and dew/frost point hydrometer, the SAW's behaves changes in various parameters when dew / frost point detecting will be researched in a variety of meteorological environment. The problems of dew / frost point recognition, mirror surface contamination or optical components dewing and icing (low temperature) will be solved. The impact of optical components by wet environment will be avoided. The techniques to accurately measure humidity under whole scale measurement range will be obtained, in a wide range and extreme environments such as the ground surface to the stratosphere. The works can crease the accumulation of atmospheric sounding basic research based on SAW technology. An atmospheric humidity sounding prototype instrument based on the SAW sensor will be built. High level indoor humidity testing technology will be established.

凝结式露点仪是目前唯一可以在全温度量程内达到较高准确度的测湿仪器，普遍采用光学法检测露/霜机理，在探空条件下，存在露/霜甄别、镜面污染、光学元件结露（霜）等不易解决的问题，造成错误测量和测量误差；试图解决某个问题，会导致测量间断和时间增加。声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）具有在其传播路径上遇到不同密度、质量等物理参数的障碍物时，会产生传播速度、幅度等方面的变化的特性，由此可计算出障碍物的某些参数和特征。将SAW技术和冷凝式露/霜点仪结合，研究SAW在各种气象环境下，进行露/霜点检测时的各种特性参数变化，解决露霜甄别、镜面污染、快速响应等技术难题，避免光学元件的湿冷环境等影响，获得一种在宽范围和极端环境下，如地面至平流层，全量程范围的湿度准确测量技术，积累基于SAW技术的大气探测研究基础。形成基于SAW传感器的大气湿度测量仪器样机，建立高水平的室内湿度测试技术。

背景：从地面到高空30km的大气环境温度、湿度和气压变化范围极大，常规湿敏电容湿度测量技术难以超过2%的相对湿度测量精度，并且无法适应这种变化范围要求。冷镜式露点仪是目前唯一可以在这种变化范围内准确测量水汽含量的测试仪器。美国成功研制了CFH（冷镜式霜点仪）用于高空大气探测业务比对和科研项目。其采用地面露点仪原理，将包括光学系统在内的所有部件小型化，以满足球载探空条件要求。其存在无法甄别露或霜的问题，造成高空水汽测量的潜在误差。.主要研究内容：本项目在CFH的基础上，嵌入声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）技术，使用SAW在其传播路径上遇到不同密度、质量等物理参数的障碍物时，会产生传播速度、幅度等方面变化的特性，由此实现露与霜的甄别，通过露点或霜点温度与大气环境温度计算得到大气水汽含量的准确测量。研究包括SAW传感器的基本性能及其对露/霜的敏感特性等；将SAW传感器与冷凝式露/霜点仪结合，开展大气水汽探测研究；建立高水平的室内湿度测试技术；开展场外（比对）观测试验。.重要结果：1）光学系统改造成免光学透镜聚焦和扩束的收发一体结构；850nm红外光源以反射光变化率代替光强的凝结物检测算法，减轻环境光干扰，系统工作无需光屏蔽措施。2）半导体致冷器以及模糊PID控制器协同运作，避免了对制冷剂的依赖。3）SAW参数变化率鉴别镜面三态（洁净、结露与结霜），准确测量包括低含水量的大气湿度。4）差分交流测量技术和高性能微型测温铂电阻结合，在宽的环境条件下，可维持准确的温度测量精度。5）基于研究获得的新技术，成功研制探空型大气湿度测量仪器样机若干台套。6）完成了部分实验室测试和外场实际观测试验，获得了有效的湿度探空曲线。7）在模糊PID控制冷凝和加热的过程中，露点或霜点温度测量精度优于0.2度。.关键数据：外场探空数据集和实验室测试数据集。.科学意义：基于物理原理测量高空大气水汽含量，适应范围宽，结合现代电子信息技术，仪器更加简单可靠。