一种快速投放大气环境测量装置

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一种快速投放大气环境测量装置
申请号	CN202220940550.1	申请日	2022-04-22	公开(公告)号	CN216621513U	公开(公告)日	2022-05-27
申请人	中国人民解放军海军工程大学;			发明人	罗忠; 阮旻智; 胡俊波; 钱超; 邵松世;
摘要	本实用新型公开了一种快速投放大气环境测量装置，包括结构部件、数据采集部件和无线通信部件，数据采集部件和无线通信部件刚性紧固安装在所述结构部件上构成整体集约型结构，结构部件，使用时用于与专用夹具成为一体紧固装载在地面固定弹射装置或火炮发射装置的动力机构上，通过动力机构产生的动能发射至指定空域；数据采集部件，包括中央处理器和多个传感器，多个传感器用于采集结构部件从指定空域降落至地面途径的高空大气环境数据，中央处理器用于接收并处理高空大气环境数据，并将处理后的高空大气环境数据通过无线通信部件无线发送至地面接收站。本实用新型能将大气环境测量所用的相关专用设备快速送到指定空域，达到快速投放的目的。
权利要求	1.一种快速投放大气环境测量装置，其特征在于，包括结构部件、数据采集部件和无线通信部件，所述数据采集部件和所述无线通信部件刚性紧固安装在所述结构部件上构成整体集约型结构，其中，所述结构部件，使用时用于与专用夹具成为一体紧固装载在地面固定弹射装置或火炮发射装置的动力机构上，通过所述动力机构产生的动能发射至指定空域；所述数据采集部件，包括中央处理器和多个传感器，多个传感器用于采集所述结构部件从指定空域降落至地面途径的高空大气环境数据，所述中央处理器用于接收并处理所述高空大气环境数据，并将处理后的高空大气环境数据通过无线通信部件无线发送至地面接收站。 2.根据权利要求1所述的快速投放大气环境测量装置，其特征在于，所述数据采集部件中的多个传感器包括GPS天线、温度传感器、湿度传感器和气压传感器；其中，所述GPS天线安装在所述结构部件的顶部，所述温度传感器、湿度传感器和气压传感器安装在传感器板上，所述温度传感器、湿度传感器和气压传感器通过采集连接器与数据采集集成板电相连；所述数据采集部件中的中央处理器安装在圆形电路板上，所述圆形电路板上装有连接器和插座，所述中央处理器通过连接器和插座对应与所述数据采集集成板、所述GPS天线、所述无线通信部件电相连。 3.根据权利要求2所述的快速投放大气环境测量装置，其特征在于，所述结构部件包括电池层外壳、传感器层外壳和主电路板层外壳，所述主电路板外壳与所述电池层外壳、所述传感器层外壳的适配精度控制在2丝以内，所述主电路板外壳通过十字沉头螺丝分别与所述电池层外壳、所述传感器层外壳紧固密封相连，所述电池层外壳的上方通过十字沉头螺丝紧固密封安装有顶圈，所述顶圈上设置有用于外挂降落伞的挂钩，所述GPS天线通过十字沉头螺丝紧固安装在所述顶圈上，所述传感器层外壳的下方通过十字沉头螺丝紧固密封安装有所述无线通信部件；其中，所述电池层外壳的内部一体化加工有电池固定层，所述电池固定层上通过电池压板紧固安装有锂电池，所述锂电池通过连接器分别与所述中央处理器、所述无线通信部件电相连；所述传感器层外壳上开设有通风孔，所述传感器层外壳的内部一体化加工有传感器固定层，所述传感器板和所述数据采集集成板紧固安装在所述传感器固定层上；所述主电路板外壳的内部一体化加工有电路板固定层，所述圆形电路板通过电路板盖板紧固安装在所述电路板固定层上。 4.根据权利要求3所述的快速投放大气环境测量装置，其特征在于，所述结构部件还包括开关外壳，所述开关外壳通过十字沉头螺丝紧固密封安装在所述顶圈和所述电池层外壳之间，且所述开关外壳与所述电池层外壳的适配精度控制在2丝以内；其中，所述开关外壳的内部一体化加工有开关固定层，所述开关固定层上安装有限位开关，所述限位开关与所述锂电池相连。 5.根据权利要求2所述的快速投放大气环境测量装置，其特征在于，所述温度传感器采用MF52珠状测温型NTC热敏电阻器。 6.根据权利要求2所述的快速投放大气环境测量装置，其特征在于，所述湿度传感器采用P14 4051 Rapid‑2型容性温度传感器。 7.根据权利要求2所述的快速投放大气环境测量装置，其特征在于，所述气压传感器采用DPS310数字式压力传感器。 8.根据权利要求2所述的快速投放大气环境测量装置，其特征在于，所述GPS天线采用MAX‑6Q定位模块。 9.根据权利要求2所述的快速投放大气环境测量装置，其特征在于，所述中央处理器采用STM32F1系列处理器。 10.根据权利要求1或2所述的快速投放大气环境测量装置，其特征在于，所述无线通信部件采用Si4463C2A器件。
说明书全文	一种快速投放大气环境测量装置技术领域 [0001] 本实用新型属于气象数据采集技术领域，更具体地，涉及一种快速投放大气环境测量装置。背景技术 [0002] 大气环境的变化与人类生活紧密相关，直接影响着人类的生产生活、交通运输、通信等活动。高空大气环境测量是开展天气预警预报、拓展通信和侦测范围、服务农业生产、保证航空活动安全等的基础工作，科学准确的高空大气环境测量对军事和民用领域具有广阔应用前景。 [0003] 大气环境测量指借用相关专用设备，对指定空域中的温度、湿度、压力进行测量。常规大气环境测量一般采用氢气球携带探空仪自由升空，在此过程中采用直接探测的方式自下而上获取高空大气参数。另一种方式是实用飞机或火箭将探空仪器送到指定高度，将其下投，在次过程中采用直接探测的方式自上而下获取高空大气参数。相关探空仪在高空中感受出周围空气的温度、湿度和气压，并探测大气环境要素转换为无线电讯号，连续不断地发给地面接收系统。这些大气环境测量装置方法较为常用，但实际在测量过程中，上述方法存在投放准备时间长、气球投放受风速风向影响大、飞机投放程序复杂等难题，无法达到快速响应，快速投放到指定空域进行测量的目的。实用新型内容 [0004] 针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种快速投放大气环境测量装置，能将大气环境测量所用的相关专用设备快速送到指定空域，达到快速投放的目的。 [0005] 为实现上述目的，本实用新型提供了一种快速投放大气环境测量装置，包括结构部件、数据采集部件和无线通信部件，所述数据采集部件和所述无线通信部件刚性紧固安装在所述结构部件上构成整体集约型结构，其中， [0006] 所述结构部件，使用时用于与专用夹具成为一体紧固装载在地面固定弹射装置或火炮发射装置的动力机构上，通过所述动力机构产生的动能发射至指定空域； [0007] 所述数据采集部件，包括中央处理器和多个传感器，多个传感器用于采集所述结构部件从指定空域降落至地面途径的高空大气环境数据，所述中央处理器用于接收并处理所述高空大气环境数据，并将处理后的高空大气环境数据通过无线通信部件无线发送至地面接收站。 [0008] 本实用新型提供的快速投放大气环境测量装置，将数据采集部件和无线通信部件刚性紧固安装在结构部件上构成整体集约型结构，可采用夹具与固定弹射装置或火炮发射装置进行适配，通过地面固定弹射装置或火炮发射装置等快速发射到指定空域，一方面可满足地面发射时冲击、振动等要求，另一方面可有效克服传统氢气球携带探空仪受风速风向影响大、难以准确到达指定空域，飞机或火箭将探空仪器送到指定高度准备时间长、投放程序复杂等难题，大大提高指定空域大气环境测量的时效性和可靠性，从而有效提高测量效率。 [0009] 在其中一个实施例中，所述数据采集部件中的多个传感器包括GPS天线、温度传感器、湿度传感器和气压传感器； [0010] 其中，所述GPS天线安装在所述结构部件的顶部，所述温度传感器、湿度传感器和气压传感器安装在传感器板上，所述温度传感器、湿度传感器和气压传感器通过采集连接器与数据采集集成板电相连；所述数据采集部件中的中央处理器安装在圆形电路板上，所述圆形电路板上装有连接器和插座，所述中央处理器通过连接器和插座对应与所述数据采集集成板、所述GPS天线、所述无线通信部件电相连。 [0011] 在其中一个实施例中，所述结构部件包括电池层外壳、传感器层外壳和主电路板层外壳，所述主电路板外壳与所述电池层外壳、所述传感器层外壳的适配精度控制在2丝以内，所述主电路板外壳通过十字沉头螺丝分别与所述电池层外壳、所述传感器层外壳紧固密封相连，所述电池层外壳的上方通过十字沉头螺丝紧固密封安装有顶圈，所述顶圈上设置有用于外挂降落伞的挂钩，所述GPS天线通过十字沉头螺丝紧固安装在所述顶圈上，所述传感器层外壳的下方通过十字沉头螺丝紧固密封安装有所述无线通信部件； [0012] 其中，所述电池层外壳的内部一体化加工有电池固定层，所述电池固定层上通过电池压板紧固安装有锂电池，所述锂电池通过连接器分别与所述中央处理器、所述无线通信部件电相连；所述传感器层外壳上开设有通风孔，所述传感器层外壳的内部一体化加工有传感器固定层，所述传感器板和所述数据采集集成板紧固安装在所述传感器固定层上；所述主电路板外壳的内部一体化加工有电路板固定层，所述圆形电路板通过电路板盖板紧固安装在所述电路板固定层上。 [0013] 在其中一个实施例中，所述结构部件还包括开关外壳，所述开关外壳通过十字沉头螺丝紧固密封安装在所述顶圈和所述电池层外壳之间，且所述开关外壳与所述电池层外壳的适配精度控制在2丝以内； [0014] 其中，所述开关外壳的内部一体化加工有开关固定层，所述开关固定层上安装有限位开关，所述限位开关与所述锂电池相连。 [0015] 在其中一个实施例中，所述温度传感器采用MF52珠状测温型NTC热敏电阻器。 [0016] 在其中一个实施例中，所述湿度传感器采用P14 4051 Rapid‑2型容性温度传感器。 [0017] 在其中一个实施例中，所述气压传感器采用DPS310数字式压力传感器。 [0018] 在其中一个实施例中，所述GPS天线采用MAX‑6Q定位模块。 [0019] 在其中一个实施例中，所述中央处理器采用STM32F1系列处理器。 [0020] 在其中一个实施例中，所述无线通信部件采用Si4463C2A器件。附图说明 [0021] 图1是一实施例中快速投放大气环境测量装置的原理框图； [0022] 图2是一实施例中快速投放大气环境测量装置的爆炸图； [0023] 图3是一实施例中快速投放大气环境测量装置的整体结构示意图。具体实施方式 [0024] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。 [0025] 为解决传统大气环境测量装置无法快速将大气环境测量所需的相关专用设备投放到指定空域的问题，本实用新型提供了一种快速投放大气环境测量装置，如图1所示，该快速投放大气环境测量装置包括结构部件10、数据采集部件20和无线通信部件30，数据采集部件20和无线通信部件30安装在结构部件10上。 [0026] 其中，结构部件10，使用时用于与专用夹具一体化紧固装载在地面固定弹射装置或火炮发射装置的动力机构上，通过动力机构产生的动能发射至指定空域。 [0027] 在本实施例中，专用夹具根据固定弹射装置或火炮发射装置的动力机构的形状和尺寸相适配。例如当通过火炮发射装置发射本实施例提供的结构部件10时，所用的专用夹具则根据火炮发射装置中的炮弹口径和型号进行定制，使用时将该结构部件10紧固安装于专用夹具内部，与专用夹具成为一体装载于带动力部位的炮弹弹筒上，按炮弹要求发射至指定空域。由于本实施例提供的用于测量大气环境的相关专用设备（数据采集部件20和无线通信部件30）安装在结构部件10上，当炮弹弹筒将结构部件10被发射至指定空域时，即可实现将相关专用设备将其投放到指定空域的目的。 [0028] 然而利用固定弹射装置或火炮发射装置将本实施例提供的大气环境测量装置发射至指定空域的过程中，考虑到其冲击和振动对本装置的影响，因此，本实施例提供的数据采集部件20和无线通信部件30需刚性紧固安装在结构部件10上构成整体集约型结构，以此来满足抗冲击和振动要求。 [0029] 数据采集部件20，包括中央处理器和多个传感器，多个传感器用于采集结构部件10从指定空域降落至地面途径的高空大气环境数据；中央处理器20用于接收并处理高空大气环境数据，并将处理后的高空大气环境数据通过无线通信部件30无线发送至地面接收站。 [0030] 本实施例提供的大气环境测量的工作原理为：地面固定弹射装置或火炮发射装置将结构部件10发射至指定空域后，将其下投，在该结构部件10从指定空域降落至地面的过程中，数据采集部件20中的多个传感器采用直接探测的方式自上而下获取其降落过程中的高空大气环境数据，中央处理器则将该数据处理后发送至地面接收站进行高空大气环境数据存储分析。 [0031] 本实施例提供的快速投放大气环境测量装置，将数据采集部件20和无线通信部件30刚性紧固安装在结构部件10上构成整体集约型结构，可采用夹具与固定弹射装置或火炮发射装置进行适配，通过地面固定弹射装置或火炮发射装置等快速发射到指定空域，一方面可满足地面发射时冲击、振动等要求，另一方面可有效克服传统氢气球携带探空仪受风速风向影响大、难以准确到达指定空域，飞机或火箭将探空仪器送到指定高度准备时间长、投放程序复杂等难题，大大提高指定空域大气环境测量的时效性和可靠性，从而有效提高测量效率。 [0032] 在一个实施例中，本实用新型提供的数据采集部件20中的多个传感器可包括GPS天线21、温度传感器、湿度传感器和气压传感器。 [0033] 其中，GPS天线21安装在结构部件10的顶部，温度传感器、湿度传感器和气压传感器安装在传感器板22上，温度传感器、湿度传感器和气压传感器通过采集连接器23与数据采集集成板24电相连；数据采集部件20中的中央处理器安装在圆形电路板25上，圆形电路板25上装有连接器26和插座27，中央处理器通过连接器26和插座27对应与数据采集集成板24、GPS天线21、无线通信部件30电相连。具体地，连接器26可采用SMA‑KE连接器，插座27可采用1×10插座。 [0034] 在本实施例中，温度传感器可采用珠状测温型NTC热敏电阻器，通过UART串口与中央处理器连接，用于测量大气环境温度。湿度传感器可采用抗湿度冲击能力和抗结冰能力强的湿度传感器，通过UART串口与中央处理器连接，用于测量大气环境湿度。气压传感器可采用数字式压力传感器，使用8引脚的LGA封装，通过串口I2C与中央处理器连接，用于测量大气环境压力。GPS天线21为定位模块，通过UART串口与中央处理器连接，用于对本实用新型提供的大气环境测量装置进行定位。数据采集集成板24用于将温度传感器、湿度传感器和气压传感器采集到的大气环境数据进行定时采集并压缩存储。中央处理器用于将数据采集集成板24采集到的大气环境数据进行分析处理，并将处理后的数据通过无线通信部件30发送至地面接收站。 [0035] 具体地，本实施例提供的温度传感器可采用MF52珠状测温型NTC热敏电阻器，型号为MF52D，具有精度高、分辨率好，安全可靠、使用方便等优点，测量范围为‑40℃至105℃，在25℃时零功率标称电阻值为10KΩ。调理及采样选择MAX31865，其是简单易用的热敏电阻至数字输出转换器，优化用于铂电阻温度检测器(RTD)。外部电阻设置RTD灵敏度，高精度Δ‑Σ的ADC将RTD电阻与基准电阻之比转换为数字输出。MAX31865输入具有高达±45V的过压保护，提供可配置的RTD及电缆开路、短路条件检测。 [0036] 湿度传感器可采用P14 4051 Rapid‑2型容性温度传感器，其性能参数为：工作湿度范围为0% RH 至100%RH，工作温度范围为‑80℃至+150℃，响应时间为0.3s。具有体积小、响应时间快、灵敏度高、恢复时间快的特点，且具有抗湿度冲击的能力，抗结冰能力强。 [0037] 气压传感器可采用DPS310数字式压力传感器，该型号传感器为具有高精度、高稳定性和低电流消耗的小型化数字气压传感器。其性能参数为：工作压力范围为300 hPa至1200hPa，工作温度范围为‑40℃至+85℃，精度为±0.005hPa。具有如下优点：基于电容式传感器的工作原理，在湿度变化期间可保证高精度；使用8引脚的LGA封装，安装方便；可存储多达32个测量结果，其测量值和校准系数可通过串行I2C或SPI接口访问，测量状态会以状态位或SDO引脚上的中断指示。 [0038] GPS天线21可采用MAX‑6Q定位模块，卫星系统可采用GPS L1 C/A。其性能参数为：通道数量32个，最大更新速率10Hz，定位精度2米 CEP，捕获时间冷启动为27秒、重捕获为1秒，跟踪灵敏度‑164dBm，串行接口UART，支持协议NMEA、RTCM、UBX binary，工作温度‑40℃～+85℃。 [0039] 中央处理器可采用STM32F1系列，ARM cortex‑M3内核，该系列处理器外设接口丰富，编程环境友好，开发库也比较完善。其性能参数为：主频72MHz，FLASH为128KB，SRAM为20KB，定时器7个，I2C为2路，UART为6路，SPI为2路，看门狗内置。 [0040] 在一个实施例中，本实用新型提供的无线通信部件30用于将中央处理器处理的大气环境处理通过北斗卫星信号实现信息传输至地面接收站。具体地，本实施例提供的无线通信部件30可采用Si4463C2A器件。 [0041] 在本实施例中，无线通信部件30采用Si4463C2A器件，该器件是高性能、低电流收发器，能覆盖142至1050兆赫的亚千兆赫频段。这些收音机是EZRadioPRo系列的一部分，包括涵盖广泛应用的全套发射机、接收机和收发器。铝器件提供‑129dBm的出色灵敏度，同时实现极低的活动和待机电流消耗。Si4463提供所有主要频段的频率覆盖。Si4463包括最佳相位噪声阻塞。 [0042] 在一个实施例中，为实现数据采集部件20和无线通信部件30刚性紧固安装在结构部件10上构成整体集约型结构，如图2和图3所示，本实用新型提供的结构部件10可包括电池层外壳11、传感器层外壳12和主电路板层外壳13，各外壳结构用于对本实用新型提供的大气环境检测装置形成紧固、密封、集约的整体，以满足地面发射时的冲击、振动等环境适应和可靠性要求。 [0043] 在本实施例中，主电路板外壳13与电池层外壳11、传感器层外壳12的适配精度控制在2丝以内，主电路板外壳13通过十字沉头螺丝分别与电池层外壳11、传感器层外壳12紧固密封相连，电池层外壳11的上方通过十字沉头螺丝紧固密封安装有顶圈14，顶圈14上设置有用于外挂降落伞的挂钩15，GPS天线21通过十字沉头螺丝（可采用M3×25型号）紧固安装在顶圈14上，传感器层外壳12的下方通过十字沉头螺丝（可采用M3×30型号）紧固密封安装有无线通信部件30。 [0044] 本实施例提供的顶圈14上设置有用于外挂降落伞的挂钩15，当地面固定弹射装置或火炮发射装置将结构部件10快速发射到指定空域后，GPS天线将检测到的位置信息发送至中央处理器，中央处理器根据到达指定空域的位置信息开启降落伞，从而降落伞带着结构部件10降落至地面的期间，通过结构部件10上的数据采集部件20实现对高空大气环境数据的测量。 [0045] 具体地，本实施例提供的电池层外壳11的内部一体化加工有电池固定层110，电池固定层110上通过电池压板111紧固安装有锂电池112，锂电池112通过连接器26分别与中央处理器、无线通信部件30电相连，用于为中央处理器、无线通信部件30提供工作电源。 [0046] 传感器层外壳12的内部一体化加工有传感器固定层120，传感器板22和数据采集集成板24紧固安装在传感器固定层120上。传感器层外壳12上开设有通风孔121，起到散热的作用，防止传感器板22上的传感器和数据采集集成板24持续工作导致传感器层外壳12内的温度过高对其使用寿命造成影响。 [0047] 主电路板外壳13的内部一体化加工有电路板固定层130，圆形电路板25通过电路板盖板131紧固安装在电路板固定层130上。 [0048] 在本实施例中，将主电路板外壳13与电池层外壳11、传感器层外壳12的适配精度控制在2丝以内，并通过十字沉头螺丝进行紧固密封相连，可使本实用新型提供的大气环境测量装置整体外壳结构的间隙更小，确保装置外壳整体能满足地面发射时抗冲击、振动的要求。且各外壳结构内部均一体化加工设有对应的固定层，各固定层上紧固安装着设有中央处理器的圆形电路板、锂电池、设有多个传感器的传感器板，可确保各外壳结构与固定层以及固定层与其上各器件的强度，确保装置内各部件满足地面发射时抗冲击、振动的要求。 [0049] 进一步地，如图2和图3所示，本实施例提供的结构部件10还可包括开关外壳16，开关外壳16通过十字沉头螺丝紧固密封安装在顶圈14和电池层外壳11之间，开关外壳16与电池层外壳11的适配精度控制在2丝以内，确保装置外壳整体能满足地面发射时抗冲击、振动的要求。 [0050] 其中，开关外壳16的内部一体化加工有开关固定层161，开关固定层161上安装有限位开关162，限位开关162与锂电池112相连。 [0051] 在本实施例中，限位开关162用于控制锂电池的开启和关闭。当地面固定弹射装置或火炮发射装置将结构部件10发射至指定空域将其下投时，可通过限位开关162识别出该结构部件10已经脱离地面固定弹射装置或火炮发射装置的动力机构，从而打开锂电池开关，为中央处理器、无线通信部件提供电源，达到节能的效果。 [0052] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。