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氣象環境監測系統設備主要由傳感器、數據采集器、通信模塊、供電系統等部分組成,以下是具體介紹:
傳感器
溫度傳感器:常見的有熱敏電阻溫度計和熱電偶溫度計等。熱敏電阻溫度計利用半導體材料的電阻隨溫度變化的特性,其中 NTC 熱敏電阻較為常用,其電阻值隨溫度升高而降低,具有靈敏度高、體積小、響應快等優點;熱電偶溫度計則基于熱電效應,由兩種不同金屬導體組成閉合回路,當兩端溫度不同時,回路中會產生熱電勢,通過測量熱電勢就能確定溫度,它響應速度快、測量范圍廣,常用于工業和氣象監測中的高溫測量。
濕度傳感器:包括電容式濕度傳感器和干濕球濕度計等。電容式濕度傳感器基于濕敏材料的電容值隨環境濕度變化的原理,具有響應速度快、精度高、易于集成等優點;干濕球濕度計由兩支相同的溫度計組成,一支是測量環境溫度的干球溫度計,另一支是感溫球部包裹著濕潤紗布的濕球溫度計,根據干濕球溫度差和當時的氣壓,通過查表或公式便能計算出相對濕度,測量精度較高。
氣壓傳感器:主要有壓阻式氣壓傳感器和空盒氣壓表。壓阻式氣壓傳感器基于壓阻效應,當氣壓作用在傳感器的敏感元件上時,其電阻值發生變化,通過測量電阻值的變化來計算氣壓,這類傳感器體積小、精度高、響應速度快;空盒氣壓表利用金屬空盒隨氣壓變化而產生形變的原理,當氣壓變化時,空盒的彈性變形通過機械傳動機構帶動指針指示氣壓值,它攜帶方便、使用簡單,常用于野外氣象觀測和一些便攜式氣象設備中。
風速風向傳感器
風速傳感器:常見的有風杯風速計和螺旋槳式風速計。風杯風速計由三個或四個半球形風杯構成,當風力作用時,風杯繞垂直軸旋轉,且轉速與風速成正比,通過測量風杯的轉速,并經過特定換算就能得到風速值,結構簡單,堅固耐用;螺旋槳式風速計利用螺旋槳在風中的旋轉來測定風速,螺旋槳的旋轉平面與風向垂直,其轉速和風速緊密相關,通過傳感器測量轉速并轉化為風速數據,適用于測量較高風速的場景。
風向傳感器:通常為風向標,由箭頭和尾翼組成,箭頭始終指向風吹來的方向。風向標既可以通過機械傳動裝置與刻度盤相連,讓人直接讀取風向角度;也能借助電子傳感器將風向信號轉換為電信號,傳輸到數據采集系統中進行處理和記錄。
輻射傳感器
總輻射表:用于測量太陽的短波輻射總量,通常由感應件、玻璃罩和支架等組成。感應件接收太陽輻射后產生熱電勢,熱電勢的大小與太陽輻射強度成正比,通過測量熱電勢來確定太陽總輻射量。
凈全輻射表:測量地球表面吸收和發射的長波輻射與太陽短波輻射的差值,即凈輻射。它可以反映地面與大氣之間的能量交換情況,對于研究氣候形成和變化、生態系統能量平衡等具有重要作用。
紫外輻射表:專門用于測量太陽紫外線輻射強度,根據不同的測量波段和精度要求,有多種類型的紫外輻射表。
其他傳感器
雨量傳感器:常見的有雨量筒和翻斗式雨量計。雨量筒由承水器、漏斗、儲水瓶和雨量杯等組成,降水通過承水器收集,經漏斗流入儲水瓶,測量時將儲水瓶中的水倒入雨量杯,依據雨量杯的刻度讀取降水量;翻斗式雨量計利用翻斗的翻轉次數來測量降水量,降水落入翻斗后,當翻斗內的水量達到一定值時,翻斗翻轉一次,通過記錄翻斗的翻轉次數,經過換算得到降水量,它可以實現自動測量和數據傳輸。
PM2.5/PM10 監測傳感器:如 β 射線吸收法監測儀,讓空氣通過濾紙,其中的 PM2.5 或 PM10 顆粒物被截留在濾紙上,然后用 β 射線照射濾紙,根據 β 射線被吸收的程度來計算顆粒物的質量濃度,該方法測量精度高,穩定性好,能實時在線監測;還有光散射法監測儀,利用顆粒物對光的散射特性,通過測量散射光的強度和角度,結合相關算法計算出顆粒物的濃度,它具有響應速度快、體積小、便于攜帶等優點。
數據采集器
數據采集器是氣象環境監測儀的核心部分,它負責對各個傳感器數據進行采集、處理和存儲。
通常采用微控制器或嵌入式系統來實現這些功能,微控制器通過讀取各個傳感器的輸出電壓或電流值,將其轉換為對應的數值,并存儲在內部存儲器中。
同時,數據采集器還會對數據進行校準和修正,以確保數據的準確性和可靠性。
通信模塊
通信模塊負責將采集的數據傳輸到數據中心或云平臺。
氣象環境監測儀通常采用無線通信技術,如 GSM/GPRS、Wi-Fi、藍牙等來實現數據傳輸,也有部分設備支持有線傳輸方式,如 RJ45 網口等。
通信模塊將采集的數據按照規定的通信協議進行打包,然后通過無線通信網絡發送給數據中心或云平臺。
供電系統
市電供電:較為穩定,適用于有穩定電力供應的場所,如城市中的氣象監測站、學校、科研機構等,直接接入 220V 市電即可為設備提供電力。
太陽能供電:通常由太陽能電池板和蓄電池組成,適用于偏遠地區、野外等沒有市電供應的場所。太陽能電池板在白天將太陽能轉化為電能,存儲在蓄電池中,為設備在夜間或陰天等情況下提供電力。
其他供電方式:部分小型便攜式氣象監測設備還可以使用電池供電,如干電池、鋰電池等,方便設備的移動和使用。
數據分析軟件
專業的數據分析軟件能夠對采集的氣象數據進行處理、分析和可視化,生成報表、趨勢圖等多種形式的可視化數據,使用戶更加直觀地了解和分析氣象數據。
可以對氣象數據進行統計分析,如計算平均值、最大值、最小值、標準差等,還可以進行數據挖掘,發現數據之間的潛在關系和規律,為氣象預報、災害預警、農業生產、交通管理等提供決策支持。