机载绝对湿度测量装置的制作方法

1.本发明属于湿度计算装置的技术领域，尤其涉及一种机载绝对湿度测量装置。


背景技术：

2.湿度是气象探测领域的三大基本能量(温度、湿度、气压)之一。当前无论地面气象观测领域还是高空气象探测领域，一般采用高分子湿敏电容测量湿度，采用高精度露点仪作为湿度计量的基准，基本可以满足常规气象探测业务的需求。商用航空领域，为了满足人民对航班准点率的高要求，航空器气象数据下传(amdar)技术逐步普及，基本可以利用飞机现有设备测量飞行航路上的实时气温、气压，缺乏最重要的能量“湿度”。
3.国外某些机载综合气象探测设备采用水气分离装置内部加装湿敏电容的方式来测量相对湿度，却由于湿敏电容响应时间太长，且高湿环境下湿度测量误差较大，很难满足实际业务需求。部分特种气象探测飞机将地面用露点仪安装到飞机上进行湿度测量，也因为响应时间太长而无法满足业务需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种机载绝对湿度测量装置，解决技术的设备测量气流湿度效率较低的技术问题。
5.提供一种机载绝对湿度测量装置，机载包括蒙皮，包括安装在蒙皮表面预设位置的水汽分离装置和安装在机载设备舱内的解算装置，水汽分离装置与所述解算装置连通，其中：
6.所述水汽分离装置将进入的部分高空气流输送至所述解算装置内，且在所述解算装置实时对高空气流的湿度进行解算后，通过所述水汽分离装置排出至高空大气中。
7.本发明的有益效果：
8.相比目前某些国外设备采用的水汽分离装置和湿敏电容测量相对湿度的方法具有响应时间快，测量精度高，特别是在高湿环境下(尤其是穿云后)依然可以保持完整的湿度测量能力，而湿敏电容测量方式在高湿环境下测量不准确，穿云后需要较长时间或通过加热湿敏电容才能恢复湿度测量能力。相比某些气象飞机采用的露点仪响应时间快，机载露点仪等压降温的时间较长，响应时间基本在10s以上，本技术响应时间约2s。
附图说明
9.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
10.图1是本发明水汽分离装置和解算装置连通的示意图；
11.图2是本发明解算装置的结构示意图；
12.图3是本发明凸起的一种结构示意图；
13.图4是本发明凸起的另一种结构示意图；
14.图5是本发明控制逻辑的示意图；
15.其中：
16.1、水汽分离装置；2、解算装置；3、进气管路；4、出气管路；5、电源板；6、信号处理板；7、温压模块；8、吸收池；9、激光器；10、准直器；11、壳体；12、凸起；13、光电探测器；121、圆弧面。
具体实施方式
17.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
18.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
19.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
20.如图1所示的机载绝对湿度测量装置，机载包括蒙皮，包括安装在蒙皮表面预设位置的水汽分离装置1(如，安装在飞机机头侧下方的蒙皮上)和安装在机载设备舱内的解算装置2(机载设备舱内安装有机电管理系统和供电设备，利用该供电设备向本案的测量装置提供电源)，水汽分离装置1与解算装置2连通，解算装置2连通，例如，包括采集器、激光器9和激光收、发的探测装置等，利用水汽能够削弱激光能量的原理，从而计算出湿度值，其中：
21.水汽分离装置1将进入的部分高空气流输送至解算装置2内(大部分气流及水滴等直接通过水汽分离装置1进入大气中，在凸起12的作用下，少部分气流通过所述进气管输送至解算装置2内)，解算装置2计算气流中的湿度后通过所述出气管将气流和水滴输送至所述水汽分离装置1中以排到大气中。优选的，水汽分离装置1两端开口的壳体11，并在壳体11内预设位置设置有凸起12(使壳体11两端开口产生压差)，近邻凸起12的两侧且在壳体11上分别设置有进气管和出气管，预设位置为进气管和出气管之间的位置，其中：进入壳体11的高空气流在凸起12的作用下，将部分气流和水滴通过进气管输送至解算装置2内，解算装置2计算气流中的湿度后通过出气管将气流排出，具体的：
22.飞机飞行过程中，由于飞机与空气相对运动，气流进入水汽分离装置1。无云时，进入水汽分离装置1的全部为气体，有云时，进入水汽分离装置1的为气、水混合物。大部分气流及水滴等直接通过水汽分离装置1进入大气中，由于水汽分离装置1中凸起12一个小台
阶，少部分气体受凸起12的小台阶影响，改变流动方向，通过管路进入到解算装置2吸收池8内部。凸起12的结构，例如，如图3所示，凸起12近邻所述进气管的一端为斜截面结构设置，另一端面为与水汽分离装置1中心线垂直的垂面结构设置，或是，如图4所示，凸起12近邻所述进气管的一端为圆弧结构(圆弧面121)设置，且圆弧的圆心背向所述水汽分离装置1中心线，另一端面为与水汽分离装置1中心线垂直的垂面结构设置。凸起12的目的是，能够增大与气流的接触面积，进而增大气流的碰撞旋流力，增加进入进气管路3的高空气流，并使壳体11两端开口产生压差。
23.作为本案所提供的具体实施方式，进气管的内侧面设置有用以加热高空气流的电阻丝或加热丝，进气管的出口处设计铂电阻温度传感器对进入解算装置2所包括的吸收池8内的气体温度监控，例如，通过pwm调制方式将进气管路3内的温度控制在恒定的温度范围内，需要指出的是，吸收池8的温度维持在恒定值时便于气流湿度的实时解算。
24.作为本案所提供的具体实施方式，如图2所示，解算装置2包括电源板5、吸收池8、激光器9、信号处理板6、准直器10和光电探测器13，吸收池8的两侧分别安装有准直器10和光电探测器13，电源板5为吸收池8、激光器9、信号处理板6、准直器10和光电探测器13提供电能，信号处理板6包括cpu控制板，其中：
25.吸收池8与水汽分离装置1连通(上述中的进气管路3和出气管路4)，部分高空气流进入吸收池8；
26.信号处理板6向激光器9提供预设频率的驱动信号，激光器9发射的激光经准直器10的调校后穿过吸收池8，且被光电探测器13接收并进行激光能量探测；
27.光电探测器13、激光器9分别与信号处理板6电连接，信号处理板6比较激光器9射出激光的能量(例如，激光器9出口设置有与信号处理板6电连接的光电探测器13)与光电探测器13接收的激光能量，以确定吸收池8内容气流的湿度。安装的方式，例如，吸收池8的两侧面设置有孔，并将准直器10和光电探测器13分别与两侧的孔对应安装，准直器10用于激光器9发射的激光能够穿过吸收池8并进入光电探测器13。红外激光进入吸收池8后，经过吸收池8内的湿空气充分吸收照射，激光或红外激光的能量会降低，因此，光电探测器13探测的激光能量小于激光器9发生激光的能量，通过损失的激光能量差实时计算吸收池8内的气流湿度。
28.上述中对激光器9发射波长的控制方式，激光器9内置温敏电阻，信号处理板6控制温敏电阻的工作温度，实现对发射激光波长的控制，保持激光器9工作温度恒定在一定的温度范围内，使得激光器9发出对水汽敏感的近红外激光。
29.作为本案所提供的具体实施方式，电源板5与机舱供电设置电连接，转化预设大小的电压(如，28v)，为吸收池8、激光器9、信号处理板6、准直器10和光电探测器13提供电能。电源板5内至少设置电源防反接电路、滤除机上电源干扰电路、防电源浪涌电压冲击电路和防雷电路。如，电源板5将机上+28v直流电源转换为解算装置2内部需要的各种电压，并且在进行电压转换前，为了应对机载环境下的复杂电磁环境，设计了现有技术中的电路，使电源具备防反接功能、滤波电路功能、防电源浪涌电压冲击功能、防雷功能等。
30.作为本案所提供的具体实施方式，吸收池8外部设置有用以加热的加热膜，加热膜设置有温压模块7，加热膜与信号处理板6通讯连接，并在吸收池8上分别设置有温度传感器，温度传感器与信号处理板6通讯连接，控制吸收池8的温度为恒定的预设值，避免吸收池
8温度的变换对气流湿度的计算产生影响。
31.作为本案所提供的具体实施方式，如图5所示，信号处理板6包括第一信号调制模块、第二信号调制模块、第一数模转换器、电流自平衡探测放大电路、双路正交锁相解调电路、cpu控制器、失调订正电路和双通道低通滤波电路，其中：
32.第一信号调制模块，用于调制激光器9的控制器信号并发送至第一数模转换器，第一信号调制模块，例如，现有技术中信号调制的电子元器件，包括，晶振，放大器和滤波器及fpga或cpld芯片，如，调制生成12位的数字信号；
33.第二信号调制模块，用于调制多倍频正余弦信号，并输入至双路正交锁相解调电路中；
34.第一数模转换器，用于将第一信号调制模块发送的数字转换成模拟信号，且经过电流放大电路放大后发送至激光器9，控制激光器9输出激光能量的大小，一般的，在机载电子舱上电时，启动激光器9开始工作；
35.电流自平衡探测放大电路，接收光电探测器13输出的光电信号，去掉直流分量且保留交流分量，(包括直流分量和交流分量，直流无法通过电流自平衡探测放大电路中的滤波电容，只保留交流分量，经过电流自平衡探测放大电路的变换和放大后，得到交流分量的谐波信号)并向双路正交锁相解调电路输入谐波信号；
36.双路正交锁相解调电路，接收多倍频正余弦信号和谐波信号，进行信号的解调，并输出双路解调信号至失调订正电路，目的是：为了减小低量程的误差，将激光器9维持在直流状态，信号处理板6通过不断调整2路d/a信号将双路正交锁相解调电路的输出值校准到零位(在使用工作中，环境的影响会产生一定的偏移)，达到减小低量程误差的目的；
37.失调订正电路，通过第二数模转换器和第三数模转换器与cpu控制器连接，并与双通道低通滤波电路连接，接收双路解调信号以将输出值校准到零位，达到减小低量程误差的目的；
38.双通道低通滤波电路，分别通过第一模数转化器和第二模数转化器与cpu控制器连接，用于失调订正电路输出信号的滤波。
39.作为本案所提供的具体实施方式，第一信号调制模块调制的信号为锯齿波和基频正弦波叠加后所形成的数字信号，数字信号经第一数模转换器转换成模拟信号，发送至激光器9；
40.第二信号调制模块，调制的正余弦信号的倍频为第一信号调制模块调制信号倍频的2倍。
41.信号处理板6产生的2倍于激光器9调制信号基频信号的2倍频正余弦信号作为参考信号，与各次谐波信号通过双路正交锁相解调电路相乘得到2次谐波信号的幅值和相位，经低通滤波后由信号处理板6进行a/d采集计算得出湿空气的绝对湿度。
42.作为本案所提供的具体实施方式，在预设时间段内确定激光器9所发射激光的电压值与双通道低通滤波电路输出光电探测器13输出的电压值之差，并通过插值法确定相对应的气流湿度值。预设时间段为一个锯齿波的周期，通过电压与湿度的曲线关系，利用插值法能够实时确定对应的湿度。
43.本技术主要应用于航空机载环境下的湿度测量，相比目前某些国外设备采用的水汽分离装置1和湿敏电容测量相对湿度的方法具有响应时间快，测量精度高，特别是在高湿
环境下(尤其是穿云后)依然可以保持完整的湿度测量能力，而湿敏电容测量方式在高湿环境下测量不准确，穿云后需要较长时间或通过加热湿敏电容才能恢复湿度测量能力。相比某些气象飞机采用的露点仪响应时间快，机载露点仪等压降温的时间较长，响应时间基本在10s以上，本技术响应时间约2s。
44.也可以是与现有技术方案进行结合，通过高精度冷镜式露点仪进行标定，采用低温露点发生器作为不同湿度的湿空气发生装置，将露点仪与本发明的解算装置2并联接到露点发生器的输出端，对解算装置2输出的绝对湿度与露点仪输出的绝对湿度进行比较，得出拟合曲线，对解算装置2输出的绝对湿度进行标定校准，得到全量程范围内的绝对湿度。
45.以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。