第二章 传感器
2.1 一般性描述
从系统结构上分析，大气探测系统主要包括探测平台、观测仪器和资料处理部分。观测平台是安装仪器的基础性设施；观测仪器是指感应和采集各种气象要素的各种传感器或相关组合；资料处理部分则对完成对探测仪器输出的信号进行采集、处理、传送、加工、存储、显示等一系列信息处理工作。如果将传感器作为自动气象观测系统的信源，其重要性是不言而喻。因此，深入了解各类相关传感器的性能和简要的工作原理和性能，是研制自动观测系统的基础和前提。
传感器技术是一门庞大而复杂的学科，本文重点不是进行传感器的深入研究，但是为了构成自动观测系统，必须对传感器进行一些基本的了解，只有了解了各类传感器的性能和简要的工作原理、性能特点，才能做到合理选取，设计优化，充分发挥其最大效用。
传感器的主要性能指标，首先由其感应原理决定，同时与其使用的材料和制造工艺密切相关。
从探测原理上说，主要有直接探测和遥感探测两种，遥感探测有分为主动遥感和被动遥感两种，一般来说，目前使用的遥感仪器的探测精度仍低于直接探测。另一方面，同一要素的测量，由于其探测原理的不同，性能差异可能很大。为此我们通常从以下几个方面对传感器的性能进行评价：
1) 线性度：表示实际静态曲线与拟合直线的接近程度，又称为非线性误差 ，用传感器各测试点对于拟合直线的最大偏差 与传感器满量程输出之比 表示： = ×100％
2) 灵敏度：传感器在稳态工作时，输出量的变化值 与相应输入量的变化值 之比，称为传感器的灵敏度K ：灵敏度反映了传感器响应变化对激励变化的灵敏程度，可能与激励值有关。
3) 灵敏阈：灵敏阈又叫“阈值”，是使传感器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化应缓慢而单调的进行；也可以说是传感器的最小检测值。
4) 迟滞:迟滞用以表示传感器在输入量增大和减小的不同变化趋势时，输出和输入特性曲线的不一致程度，用全量程中最大迟滞差值 与满量程输出 之比表示,即： ％。
5) 重复性：重复性用以表示在相同的条件下重复测量同一被测量，测量仪器提供相近示值的能力。
6) 准确度：测量值与实际值（真值）接近的程度，可通过仪器误差的数值进行衡量。
7) 坚固性：是指仪器的坚固程度。这种说明虽然不是很明确与科学，但这个概念却十分重要。则主要是因为它直接关系到系统能否可靠运行；说其不明确主要因为使用者的要求和使用环境的差异很大，所以很难有一个统一的标准。但总体而言也可归纳出坚固性如下一些共同的特点：
平均无故障时间(MTBF)；
仪器对环境温度、湿度、海拔高度等要素变化范围的适应性；
所允许电压供电电压波动范围；
抵抗强风和雷击等自然因素破坏的能力；
安装件或结构件的坚固程度和抗腐蚀能力；
8) 漂移及稳定性:漂移是测量仪器计量特性的慢变化；稳定性是指测量器具保持其计量特性随时间恒定的能力。
2.2温度的测量
2.2.1概述
温度的宏观定义是物体冷热程度的体现，具体体现为热的物体温度高，冷的物体温度低；从热力学的微观角度看，温度是大量物质分子运动平均动能的体现；“气温”是空气这种特定“物体”的温度，是空气分子运动平均动能的体现；气象上指的气温，应具有较好的代表性，是指距离地面1.5m高处，在百叶箱中，空气能够自由流动，而不受太阳和地面辐射影响的空气温度。
为了定量表示物体的冷热程度，客观地测量温度，必须建立一个衡量温度的标尺，用数值将温度表示出来；用数值表示温度的方法称为温标。通常，温标有“华氏温标”、“摄氏温标（百份温标）”和“开氏温标（绝对温标）”。
2.2.2气温的测量方法
气温的测量可分为接触式和非接触式测量两种。接触式测量气温时，感温元件被空气介质所包围，当感温元件与空气达到热平衡时，根据感温元件的感温特性确定空气的温度；非接触式测量气温时，测温设备接收来自空气的电磁波或者声波信息，利用红外辐射、微波遥感等原理探测空气的温度。地面气象观测使用的通常都是接触式测温元件。
2.2.3测温元件
温度智能采集所使用的传感器必须具有如下的要求：
温度测量精度高；
能较好地、全面地反映环境温度，而不是某一点的温度；
可以方便地将温度信号转换成电信号，并且灵敏度要高；
具有较高的稳定性和可靠性；
具有很好的互换性；
便于校准和文护；
通常，气象用测温元件包括：液体（水银、有机液体）、热电偶（铜-康铜或锰铜-康铜）、金属电阻、热敏电阻、集成电路（IC）、石英晶体、热敏电容等。
各种传感器的优缺点如所示：
根据以上的分析，并参考有关的国内外自动气象观测系统的资料，应该选取金属电阻作为测温元件。这主要是利用金属的电阻率随温度而变化的特性，电阻的测量可以十分精确，可以方便地转换成电信号，而且金属本身一致性、稳定性较好。
下面对技术电阻温度计进行简单的分析
优缺点
感温元件
主要优点
主要缺点
液体（水银、有机液体） 精度较高 必须有人的介入
热电偶（铜－康铜等） 灵敏度高、线性 导热率高，高温易氧化严格保证参考端为固定温度，不宜于野外工作
金属电阻（铂） 测温精度高，复现性好线性好，互换性好 电阻温度系数较小
热敏电阻 电阻温度系数大 非线性差和互换性差
集成电路 输出稳定 灵敏度偏低，精度低
石英晶体 稳定性好，分辨率高 价格昂贵
热敏电容 测温范围较大 精度较低
表2－1温度传感器优缺点
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