微溫脈動(dòng)儀系統(tǒng)的研究
2012-04-12 00:00:00李雪寶鄭艷芳許光李志
現(xiàn)代電子技術(shù) 2012年5期
摘 要：為評(píng)價(jià)云南天文臺(tái)撫仙湖太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的圓頂視寧度，研制了一種能測(cè)量常溫、微溫脈動(dòng)的儀器。在天文建筑物附近安放兩個(gè)微溫傳感器，可以測(cè)量影響天文觀測(cè)的湍流強(qiáng)度的分布情況。介紹了微溫脈動(dòng)儀器的工作原理，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)以及儀器的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該微溫測(cè)量結(jié)果達(dá)到了多個(gè)傳感器響應(yīng)時(shí)間快與同步測(cè)量要求，并且微溫脈動(dòng)測(cè)量達(dá)到約0.01 ℃的分辨率，常溫測(cè)量達(dá)到0.1 ℃精度。
關(guān)鍵詞：微溫脈動(dòng)儀； 頻率測(cè)量； 圓頂視寧度； 湍流強(qiáng)度
中圖分類(lèi)號(hào)：
TN966-34
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004-373X(2012)05
-0128
-03
Research on microthermal measurement
LI Xue-bao， ZHENG Yan-fang， XU Guang， LI Zhi
(National Astronomical Observatories/Yunnan Observatory， Chinese Academy of Sciences， Kunming 650011， China)
Abstract：
For evaluating the dome seeing of the solar telescope at Fuxian Lake of the Yunnan Observatory， an instrument was designed to measure the normal temperature and microthermal fluctuations. In the vicinity of the astronomical building， two microthermal sensors were set up to measure atmospheric fluctuations in the surface layer. The overall structure of the system and the working principle of the microthermal sensor are presented. The hardware design and the software design of the system are introduced. In the end， the microthermal measurement has been carried on at Fuxian Solar Observatory (FSO). It is proved that the instrument reaches the temperature resolution of~for the microthermal fluctuations and accuracy of for ambient temperature.
Keywords： microthermal instrument; frequency measurement; dome seeing; turbulence intensity
收稿日期：2011-10-26
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助面上項(xiàng)目(10873034)
0 引 言
大氣視寧度影響天文觀測(cè)的分辨率，為了獲得更好的成像質(zhì)量，通常需要通過(guò)天文選址，將天文觀測(cè)設(shè)備放在大氣視寧度較好的站點(diǎn)。若天文建筑設(shè)計(jì)不當(dāng)，圓頂視寧度造成的像質(zhì)衰減影響可能會(huì)比整層大氣視寧度的影響還要嚴(yán)重，也就無(wú)法體現(xiàn)出好的天文臺(tái)址和望遠(yuǎn)鏡的效力。云南天文臺(tái)撫仙湖太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的圓頂在設(shè)計(jì)時(shí)采取了許多措施來(lái)減少圓頂視寧度的影響，包括將圓頂設(shè)計(jì)成開(kāi)發(fā)式、在圓頂附近安裝水循環(huán)系統(tǒng)、在望遠(yuǎn)鏡附近安裝風(fēng)障板等。為了綜合考慮這些措施的效果，需要能夠測(cè)量圓頂內(nèi)不同位置大氣湍流的強(qiáng)度，得到溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)C2T以及折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C2N的強(qiáng)度和分布情況。
大氣湍流的強(qiáng)度可以通過(guò)目視觀測(cè)衍射環(huán)、恒星閃爍、較差像運(yùn)動(dòng)測(cè)量?jī)x(DIMM)、聲雷達(dá)等方法來(lái)測(cè)量［1］，但以上方法反映的是整層或高層大氣的湍流情況。對(duì)于近地面湍流，主要通過(guò)直接測(cè)量大氣的微溫脈動(dòng)得到湍流強(qiáng)度。微溫脈動(dòng)測(cè)量的常用手段是金屬絲微溫脈動(dòng)儀和超聲風(fēng)溫儀。前者常用鉑絲作為傳感器，具有響應(yīng)速度快、線(xiàn)性度好、分辨率高、體積小、易損壞等特點(diǎn)。超聲風(fēng)溫儀頻率響應(yīng)快，工作穩(wěn)定，不易損壞，但容易受水平風(fēng)速和濕度影響，且價(jià)格較高［2］。考慮到測(cè)量裝置最終要放置在圓頂附近以及成本控制， 決定采用金屬絲的微溫脈動(dòng)儀。目前國(guó)內(nèi)有安徽光學(xué)精密機(jī)械和北京大學(xué)研制過(guò)類(lèi)似的儀器。
1 儀器的工作原理［3］
采用微溫脈動(dòng)儀來(lái)測(cè)量湍流強(qiáng)度，其依據(jù)是Kolmogrov的湍流各項(xiàng)同性假設(shè)。當(dāng)大氣中兩點(diǎn)之間的距離位于大氣湍流的慣性區(qū)時(shí)，其溫度結(jié)構(gòu)函數(shù)滿(mǎn)足如下:
DT(r，h)=C2T(h)r2/3
式中:CT(h)為溫度結(jié)構(gòu)系數(shù)(單位：K2m2/3);r為空間兩點(diǎn)水平距離(單位：m)。空間兩點(diǎn)的溫度結(jié)構(gòu)函數(shù)為：
DT(r，h)=<［T(P1)－T(P2)］2>
式中：T(P1)和T(P2)分別為空間兩點(diǎn)相距為r的溫度(單位:K)。由上面的兩個(gè)式子可以得出:
C2T(h)=<［T(P1)－T(P2)］2>r3/2
在光學(xué)波段，折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)和溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)的關(guān)系可表示為:
C2N(h)=80×10－6×P(h)T2(h)2C2T(h)
式中:P，T分別是空間測(cè)量點(diǎn)的氣壓(單位：hPa)和絕對(duì)溫度(單位：K)。根據(jù)上面的公式，通過(guò)測(cè)量空間兩點(diǎn)的溫度差值(微溫脈動(dòng))、氣壓和平均溫度，可以得出折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)。在圓頂附近不同高度，放置幾組微溫脈動(dòng)儀，同時(shí)進(jìn)行微溫脈動(dòng)的測(cè)量，然后對(duì)折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)在光路上積分，最終可以得到圓頂附近的近地面視寧度r0［4-6］。
2 儀器硬件與軟件設(shè)計(jì)
2.1 儀器硬件設(shè)計(jì)
微溫脈動(dòng)儀系統(tǒng)主要由微溫探測(cè)器、惠斯通電橋、儀表放大電路、低通濾波電路、 V/F轉(zhuǎn)換電路、 數(shù)據(jù)采
集與通信電路組成。微溫脈動(dòng)儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
微溫脈動(dòng)儀系統(tǒng)具體電路圖如圖2所示。
微溫探測(cè)器采用直徑為20 μm的鉑絲，長(zhǎng)約20 cm，電阻值約為200 Ω，將微溫控制器與三個(gè)固定電阻組成惠斯通電橋。由于溫度的脈動(dòng)影響，微溫探測(cè)器阻值發(fā)生變化，導(dǎo)致電橋的電壓信號(hào)也相應(yīng)改變。為了減少噪聲影響以及對(duì)微弱的信號(hào)放大，這里選用儀表放大器INA122。信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，通過(guò)低通濾波電路，抵制高頻干擾信號(hào)。通過(guò)放大和濾波后電壓信號(hào)，對(duì)它進(jìn)行LM331 V/F轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字頻率信號(hào)。選用高端PIC18F452單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集單元，PC通過(guò)RS 485接口與PIC18F452進(jìn)行串行通信，控制單片機(jī)進(jìn)行采集，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡［7-8］。
2.2 儀器軟件設(shè)計(jì)［9］
由于V/F轉(zhuǎn)換出來(lái)為數(shù)字頻率信號(hào)，所以采用PIC18F452單片機(jī)CCP頻率捕捉模塊進(jìn)行采集。儀器軟件設(shè)計(jì)部分的主要功能就是設(shè)置相關(guān)的功能模塊來(lái)配合硬件實(shí)現(xiàn)頻率的采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為了達(dá)到實(shí)時(shí)采集的目的，CCP模塊使用中斷方式進(jìn)行捕捉。微溫脈動(dòng)儀與PC機(jī)采用主從式通信，PIC18F452根據(jù)PC機(jī)發(fā)來(lái)的不同指令進(jìn)行相關(guān)的操作，指令共有兩種開(kāi)始采集和停止采集。當(dāng)接收到開(kāi)始采集命令時(shí)，PIC18F452就啟動(dòng)CCP模塊進(jìn)行頻率的測(cè)量并把測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)到SD卡里；當(dāng)接收到停止采集的命令時(shí)，PIC18F452就關(guān)閉CCP模塊，同時(shí)停止數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，然后繼續(xù)等待上位機(jī)的命令。微溫脈動(dòng)儀的軟件設(shè)計(jì)部分流程圖如圖3所示。
3 儀器測(cè)試
微溫脈動(dòng)儀研制完后，需要對(duì)它進(jìn)行定標(biāo)。對(duì)于常溫下的AD590M傳感器，在黃銅塊上鉆一些小孔， 把AD590M常溫溫度傳感器放在里面。傳感器的外殼采
用導(dǎo)熱硅膠連接， 以便更好地傳熱。傳感器外部封閉，將黃銅塊放到冰水混合物里，測(cè)量此時(shí)的讀數(shù)。然后將黃銅塊放到一個(gè)裝滿(mǎn)熱水的保溫瓶里，得出在熱水中的傳感器的溫度。通過(guò)計(jì)算，可得到不同輸出電壓對(duì)應(yīng)的溫度值。然后再利用定標(biāo)后好的AD590M，對(duì)微溫脈動(dòng)儀進(jìn)行定標(biāo)。把它們放到密封的環(huán)境下，記錄不同溫度下的微溫脈動(dòng)儀測(cè)量的頻率值。
對(duì)2個(gè)微溫脈動(dòng)進(jìn)行編號(hào)，1號(hào)與2號(hào)，并在撫仙湖太陽(yáng)觀測(cè)站圓頂上進(jìn)行了測(cè)試。儀器連續(xù)采樣一定個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)， 并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中。隔一段時(shí)間后進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過(guò)測(cè)試，儀器能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的自動(dòng)觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集。圖4給出了放置在圓頂附近兩個(gè)微溫脈動(dòng)儀的一組數(shù)據(jù)(2011-8-8在撫仙湖太陽(yáng)塔測(cè)試的數(shù)據(jù))。橫坐標(biāo)表示連續(xù)采集500個(gè)數(shù)據(jù)， 采樣間隔為500 ms。
圖4(a)為1號(hào)微溫脈動(dòng)儀測(cè)量的數(shù)據(jù)，圖4(b)為2號(hào)微溫脈動(dòng)儀測(cè)量的數(shù)據(jù)，圖4(c)為兩個(gè)微溫脈動(dòng)儀測(cè)得的數(shù)據(jù)相差值，圖4(d)為AD590M常溫溫度傳感器測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，溫度值為經(jīng)過(guò)定標(biāo)以后的值。這兩個(gè)微溫探測(cè)器被懸掛于圓頂附近，高度距圓頂?shù)孛婕s2 m，水平間距為1 m。如圖4所示，1號(hào)與2號(hào)微溫脈動(dòng)儀在同時(shí)測(cè)量中，可以實(shí)時(shí)同步跟蹤微溫的變化，而且經(jīng)過(guò)測(cè)定，AD590電路測(cè)溫精度約為0.1 ℃，微溫脈動(dòng)儀測(cè)溫分辨率約為0.01 ℃。
4 結(jié) 語(yǔ)
本套儀器調(diào)試成功后，將會(huì)根據(jù)運(yùn)行的實(shí)際情況對(duì)它進(jìn)行不斷完善，以及制造多個(gè)溫度脈動(dòng)儀，進(jìn)行不同高度多點(diǎn)同時(shí)實(shí)測(cè)。并在其他天文站點(diǎn)進(jìn)行布置，結(jié)合較差像運(yùn)動(dòng)測(cè)量?jī)x，通過(guò)對(duì)兩者的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比研究， 將為研究天文建筑對(duì)視寧度的影響提供有效的工具。
(下轉(zhuǎn)第133頁(yè))
