地面气象六要素智能采集系统 第6页
紧靠坐标轴两侧，利用平面工艺扩散4个相互垂直的等值应变电阻，将硅膜片烧结在陶瓷底座上，点好内引线、封帽、抽气密封制成气压传感器，硅膜片上面处于真空腔内，下面与大气相通，膜片所受压强等于外界大气压力.当大气压力变化时，膜片产生应变，4个应变电阻的阻值会发生改变，通过电桥将应变电阻的变化量转换为电压输出，通过测量电压值，反演出相应的气压值。
2.4.4误差分析
影响半导体气压计测量误差因素有：温度漂移、器件的非线性、疲劳老化、污染物附着、光辐射的影响、真空度变化、制造工艺缺陷、转换电路产生的测量误差等。
1）根据半导体的特性，我们不难看出：测量误差主要由温度变化引起的，为减小这种测量误差，在实际电路中采用扩散技术将4个电阻制作在同一硅膜片上，构成压敏全桥，在外围电路中增加相应的零点温漂补偿调整（如串并联电阻等）电路。但总体来说，这种补偿调整比较困难，封装材料和硅片间的热膨胀系数差异会引起热失配，以及安装紧固时产生的应力不可避免的影响桥路的信号输出，从而引起零位失调的漂移。这些因素引起的失调和温漂比较复杂，补偿较困难，因此在封装结构，材料及紧固方法上必须仔细分析和研究。否则传感器的最后性能便难以保证。
2）温度变化引起的另一个重要影响是灵敏度的变化，称之为灵敏度漂移。对于这种误差可以通过改进IC的设计，以及设计合理的接口电路进行一定的补偿。
3）器件的非线性表现在：压敏电阻电桥的非线性，即随着压力的增加输出灵敏度呈下降（或上升）趋势，补偿的一种方法是在电路中增设校正电路，随着压力的增加，使桥路电压有一定的提升(或降低)。
4）一般说来，半导体压力传感器的抗疲劳老化性能比金属好得多，可限定最大位移量，使其工作在弹性限度范围之内，在此范围内，通常可以不考虑其永久变形，必要时可在接口电路加入相应的补偿。
5）大气污染物（如水汽、粉尘等）对测量的影响是显而易见的，为此必须对进气口空气进行过滤和采取相应的防护措施。
6）真空度的变化是不可避免的，这可以通过定期检定、校准和及时更换来解决。
综上所述，影响压力传感器测量精度和准确度的因素十分复杂，在此只能加以归纳。目的在于：提醒我们在实际使用中必须加以足够的重视并仔细分析和研究，否则是很难达到目的的。
2.5风的测量
2.5.1概述
气象学规定空气的水平运动称作风，风的来向为风向，单位时间内空气的水平位移为风速。气象学上具有统计意义和比较意义的风是距地面10m~12m处的空气水平运动。大气具有湍流特性，气流随时间和空间的变化剧烈，对于某一固定点，风具有阵性，因此，风的观测应包括平均量和瞬时量。一般选取一定时段（10min或2min）内的平均值代表比较稳定的主导方向的分；瞬时值（实际是很短时间内的平均值）则反映大气的湍流特性。
风的计量单位：风向一般用方位表示，最常见的是16方位表示法。在测量准确度要求较高时，可以直接用角度的计量单位“度”表示，并规定正北为 ，顺时针方向增加。风速以“米／秒（m/s）”为基本计量单位,另外还有“公里／小时”、“海里／小时”和“节”等。其换算关系是：         1小时／公里＝0.227m/s；1海里／小时＝1节＝0.514m/s。
平均风和风的阵性：算术平均法——在规定时间内，按等时间隔采样一组测量值，其平均值为：
 ，     …………………（2-12）
WMO建议风的平均时间，天气学和气候学取10min，航空气象取2min,采样时间间隔与传感器的时间常数有关；自动观测系统的采样时间一般为1s。
矢量平均法——视风向风速为一个矢量。设某时段有n次风向（D）、风速（v）的测量记录。选取x坐标向东，y坐标向北。第i次记录 、 在x、y方向上的分量为
 ， …………………………（2-13）
则在这段时间平均风速 和平均风向 为：
 ，  …………………………（2-14）
式中： ，
2.5.2风向风速的测量方法
自动气象观测系统所测量的为地面风。有关地面风的测量方法有很多种，从探测原理来看，风速的测量主要有：1）利用风压原理的有：压板式风速表；机械旋转式风杯风速仪；螺旋桨式风速表；扭转－定角度的应变式风速仪；纯动静压原理的皮托管及阻力球测风速装置等。2）利用加热物体的冷却速率制作的温度表及热线、热模、热球等风速仪。3）利用气流遇到障碍物会产生扰动并产生涡流的原理，制成的带风标的涡流风速表；开口管式涡流风速表。4）根据声波在大气中的传播速度随空气流动而变化的原理制成的声学风速计。5）根据离子位移、激光、射流等原理的风速仪等等。品种繁多不胜枚举。
风向的测量主要有：1）基于风压力矩作用的矩形平板单叶风标；2）为增加低风速时的转矩而采用的张角双叶风向标；3）利用螺旋桨风速仪上的尾翼风标；4）球体风向仪，定向装置（如超声波风速仪、离子射流风速计、射流测风传感器）等。
2.5.3测风元件
根据对风向风速的观测要求,以及现有的设备成熟程度,目前主要用的风要素测量设备以三杯风速仪和单尾平板风向仪为主，这主要因为：
1）三杯风速仪具有较良好的与风速成正比的线性响应，结构简单、耐用、起动风速较小。另一方面，与其它测风感应元件相比，风杯风速仪测定平均风速较好，能较好的适应观测的要求。
2）采用叶板式风向标，主要由于其结构简单、质量较轻、稳定性较好、有利于平均风向的测量，同时由设备对环境产生影响而引起的测量误差较小。
为了更深入的了解自动观测系统，我们必要简单了解一下三杯风速仪和叶板式风向标的简单原理。
三杯风速仪的工作原理：风杯一般有三个碳纤维轻质合成塑料半径（或抛物面、或锥形）空心杯组成，并以120度夹角固定在垂直旋转轴支架上.当风从当风从测面吹来，风对风杯的压力其凹面迎风，承受风压最大；凸面迎风，由于风的绕流作用使其所受风压较小，这种压力差使得风杯向凸面方向旋转，风速越大压力差也越大，风杯转动也越快，于是根据风杯转速便可测得相应的风速。转速的测量方法很多，目前较为常用的有磁电方式和光电方式。磁电转换方式是通过固定在风杯旋转轴上的磁转盘和霍尔检测元件构成的，磁转盘上均匀分布十几(或数十)个小磁体，当风杯组件转动时，磁盘随之转动，于是通过霍尔磁敏元件时感应出脉冲信号，单位时间内脉冲个数（即脉冲频率）与风速呈一定关系。经计数、换算后便可以得到实际风速。其二是光电式测量法，它由连于转动轴上锯齿形圆盘（机械部分）及固定的发光二极管和光敏三极管（检测及转换电路）组成。当风杯转动时，带动夹在发光二极管和光敏三极管间的锯齿圆盘转动，于是圆盘上的锯齿不断地遮挡二极管发出的光线，从而光敏三极管便输出宽窄不等的变频、变宽脉冲信号。该信号经整形放大后，送入相应的处理电路，同样得到风杯转速相关的脉冲信号，使用一定的算法便可以求得相应的风速值。这种方法简洁、可靠、灵敏度好。
风向标的简要工作原理：风向标是有头部（亦称平衡重锤）、指向杆（亦称水平杆）、尾翼（或称风尾）以及旋转轴构成。风尾的外形种类很多，如单尾型、双尾型、菱形、翼剖面型等。整个风向标垂直安装在转动轴上，其旋转轴心正好是它的重心。风向标结构和造型的选择主要考虑：其一是灵敏度，即在小风的条件下应该能反映风向的变动；其二是良好的动态特性（稳定性），即能迅速准确地跟踪风向的变化，当然灵敏度和稳定性是一对矛盾，在实际中必须综合考虑。
当风的来向与风向标成一定的角度时,风对风向标的尾翼产生压力,这个力可以分解为垂直于尾翼平面的力及与尾翼平面平行的力,平行力对尾翼不产生位移,而垂直于尾翼的力产生使风向标围绕垂直轴转动力矩,当该力矩大于风向标的摩擦力矩时,风向标便围绕转动轴转动,直至风向标的头部针对风向时,尾翼两面受力相等,转动力矩为零,风向标达到稳定状态,此时风向标头部所指示的方位即为风的来向。
风向标的机电转换通常有电触点盘，环形电位器、自整角机和光电码盘等方法，其中最常用的是光电码盘。光电码盘是安装在风向标转动轴上的轻质材料圆盘，其上按一定规律（如格雷码编码规则）在不同的半径环路上，顺序刻制不同的弧长的缝隙，在码盘的上方顺序装有数个发光的二极管，每一个发光二极管对应着一位码，下方安装相同数量的光敏三极管，依次对应每个发光二极管。
当风向发生变化时，风向标带动码盘转动，镂空部分二极管所发出的光可以到达光敏三极管，从而使其导通光敏三极管，未镂空部分光被阻断，相应的光敏三极管处于截止，于是便可以生成风向标所在方位的代码。根据风向标的基准方位（一般在安装时，指北杆与指北线在同一方向上，并以正北为基准0°），通过相应的解码以及计算便可以得到风向方位。目前根据实际使用需要，编码盘多采用7位格雷码编码方式。采用格雷码的目的是为了减小误码对测量的影响，由于格雷码是每进一位只有其中的一位发生0与1之间的变化，因而即使发生误读也只能产生一码的误差。使用这种方式得到的风向值其分辨率约为2.8°（360/27），这个精度能较好地满足使用要求，十进制、通用二进制以及格雷码转换关系见表：
十进制 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
二进制 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001
格雷码 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101
表2-4  十进制、通用二进制以及格雷码转换关系
注:二进制 与格雷码间的关系为:

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