丁 鐵，劉清惓，張加宏

(南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京 210044)

云水含量測量傳感器廣泛應(yīng)用于人工降雨、云物理研究等領(lǐng)域。例如在人工降雨的工作中，云中過冷水滴要經(jīng)過成冰過程轉(zhuǎn)換為降雨水滴。一般情況下，決定被作業(yè)的冷云降雨的重要條件在于云中是否有足夠的過冷水滴存在［1－2］，因此如何測量云中液態(tài)水含量對于氣象研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用是有較為重要的意義。目前主流的云水含量測量方法主要有光學(xué)測量法、微波測量法和熱線儀測量法等。光學(xué)測量方法，一般在風(fēng)洞中進(jìn)行測試，但是由于受到其設(shè)備體積和測量環(huán)境限制，很難安裝在中小型風(fēng)洞中，成本較大。微波測量方法，它能夠長時(shí)間、高分辨率、高精度探測和可無人監(jiān)察的連續(xù)工作，但是由于其測量微弱信號的能力較低，不能完成具體部位具體云層含水量的測量［3］。熱線儀測量方法，傳統(tǒng)熱線儀傳感器由于受到其體積的限制，會(huì)造成云中大水滴在熱線上來不及全部蒸發(fā)而流失，使測量結(jié)果偏低［4］，并不能完成強(qiáng)對流天氣下的測量作業(yè)。譬如美國SEA 公司生產(chǎn)的J－W 云水含量傳感器，量程為0～3 g/m3，需要由有人駕駛飛機(jī)搭載，且功耗達(dá)到數(shù)百瓦［5］。隨著技術(shù)的發(fā)展，云水含量傳感器逐漸向小型化、集成化發(fā)展，將成為該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的趨勢。本文提出的微型云水含量傳感器采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和加工工藝，使其具備體積小、功耗低、重量輕等特點(diǎn)，而且制造工藝相對簡單，便于與其它器件集成，成本較低。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

微型云水含量傳感器以飛機(jī)或探空氣球作為搭載平臺，可以穿越位于各種高度的云層。在工作狀態(tài)下，傳感器表面溫度被自動(dòng)控制在約140℃，高于水的沸點(diǎn)，以便于云中液態(tài)水滴蒸發(fā)。表面正方形銅片為敏感電極區(qū)域，銅片底部集成了測溫鉑電阻和加熱電阻。在其飛行過程中，云中液態(tài)水滴會(huì)粘附在銅片表面，傳感器的高溫引起水滴被加熱及蒸發(fā)，使加熱電阻的溫度下降，其阻值也隨之降低，在固定電壓下通過的電流則變大。一般認(rèn)為傳感器增加的電流能量等于所捕獲的云中液態(tài)水含量使之加熱及蒸發(fā)所消耗的能量［6］，通過計(jì)算從而實(shí)時(shí)測量云水含量，微型云水含量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 微型云水含量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳感器模擬與仿真

2.1 有限元模型設(shè)計(jì)

為了研究微型云水含量傳感器在強(qiáng)對流天氣測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，利用ANSYS 有限元分析軟件對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析［7－8］。在進(jìn)行建模熱分析之前，可以對傳感器模型進(jìn)行以下簡化和假設(shè)［9］:忽略粘貼各模塊之間的硅膠，理想認(rèn)為不同材料之間的粘接是緊密無縫;由于內(nèi)部使用極細(xì)的引線，可忽略PCB 板和兩電阻之間的連線。

通過上面的簡化和假設(shè)，應(yīng)用ANSYS 仿真軟件對傳感器建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，銅片面積為16 mm×16 mm，鉑電阻和加熱電阻的面積分別為1.5 mm×3 mm和4 mm×6 mm，本次仿真為獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果和縮短分網(wǎng)時(shí)間，可對實(shí)體模型采用自由網(wǎng)格劃分，其中各材料的熱特性參數(shù)如表一所示［10］。

表1 材料熱特性參數(shù)

傳感器迎風(fēng)面熱流密度公式如下:

式(1)中的LWC 代表云水含量，V 代表風(fēng)速，E水則代表1 g 水從0℃開始到蒸發(fā)掉所需要的熱量。邊界條件:傳感器底面施加溫度載荷，使傳感器表面溫度為0℃，以模擬傳感器在高空中的環(huán)境溫度，給傳感器迎風(fēng)面加載50 W/(m2×℃)熱對流系數(shù)，各塑料殼體表面加載20 W/(m2×℃)熱對流系數(shù)［11］，根據(jù)式(1)計(jì)算得到用來模擬小水滴蒸發(fā)時(shí)所需的熱流密度，在傳感器迎風(fēng)表面上加載－24 000 W/m3的熱流密度(周邊環(huán)境條件:云水含量2 g/m3，風(fēng)速為5 m/s)。

2.2 模擬結(jié)果及分析

本文設(shè)計(jì)的傳感器主要用來測量強(qiáng)對流天氣下的云水含量，云中液態(tài)水含量會(huì)隨著高度的增加而緩慢減小。在云水含量為2 g/m3時(shí)，給加熱電阻加一定的生熱率，使前端探頭溫度保持在140℃。由于傳感器各材料的導(dǎo)熱系數(shù)不一致，可采用APDL語言編程試算加熱功率大小，根據(jù)前次計(jì)算結(jié)果，不斷修改計(jì)算值，直到滿足傳感器迎風(fēng)面溫度精度的要求。通過多次計(jì)算，將大小為3.6×108W/m3的生熱率載荷施加于加熱電阻上(相當(dāng)于加熱電阻加熱功率8.6 W)，使探頭表面溫度達(dá)到140℃，其溫度分布圖由圖2所示。

圖2 加載生熱率時(shí)溫度分布圖(℃)

加熱電阻加載一定的發(fā)熱率，由圖2 可以看出，其表面溫度達(dá)到143.175℃，傳熱到銅片表面，使溫度達(dá)到140℃，滿足實(shí)驗(yàn)條件。通過ANSYS 軟件仿真得到在不同云水含量下傳感器模塊的溫度分布圖，得到一組云水含量和所需加熱功率的數(shù)據(jù)如表2所示，由此推出加熱電阻所需加熱功率的大小和云水含量之間的關(guān)系。

表2 云水含量和加熱電阻加熱功率數(shù)據(jù)關(guān)系

水滴蒸發(fā)熱功率公式如下:

式(2)中的P 代表水滴蒸發(fā)熱功率，mV指單位體積的水含量，V和E水與式(1)中代表的意義相同，A表代表接觸面積。通過仿真得到加熱功率數(shù)據(jù)與采用式(2)計(jì)算得到的數(shù)值大致相同，可推出傳感器的設(shè)計(jì)是可行的。

從表2和圖3 可以看出，云水含量的大小與加熱功率的大小呈線性關(guān)系，當(dāng)云水含量增大時(shí)，所需的加熱功率也隨之變大?？梢姡赏ㄟ^計(jì)算加熱電阻所需的加熱功率來得到云水含量大小，以達(dá)到檢測云中液態(tài)水含量的目的。

圖3 云水含量與加熱電阻生熱功率關(guān)系圖

3 溫度控制電路設(shè)計(jì)

3.1 溫度控制工作原理

本文提出的微型云水含量傳感器前端探頭表面溫度可與傳統(tǒng)傳感器保持一致，根據(jù)國外一些文獻(xiàn)資料，將其溫度控制在140℃［12］，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。外圍溫度控制電路的電源選用12 V 穩(wěn)壓電源，加熱電阻阻值為40Ω。其溫度控制系統(tǒng)選用單片機(jī)MSP430F149為控制核心，內(nèi)部自帶一個(gè)12 bit AD和兩個(gè)16 bit 定時(shí)器，在定時(shí)器的比較模式下產(chǎn)生PWM 波，通過測量鉑電阻阻值以控制PWM 波形的占空比來達(dá)到控制溫度的目的［13－14］，傳感器溫度控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 地面調(diào)試傳感器溫度控制系統(tǒng)框圖

3.2 PID 控制算法

溫度控制已經(jīng)成為工業(yè)和科研活動(dòng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，能否準(zhǔn)確的進(jìn)行溫度控制也就變的尤為重要，因?yàn)榭刂茖ο蟮亩鄻有院蛷?fù)雜性，所以溫控手段也具有多樣化。本文中采用PID 控制原理進(jìn)行溫度控制，PID 控制算法能夠在控制過程中根據(jù)設(shè)定好的控制規(guī)律不停的自動(dòng)控制使溫度控制值朝設(shè)定值過渡，最后能夠達(dá)到在控制精度范圍內(nèi)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)［15］。其算法有2種:位置式算法和增量式算法。

位置式算法主要是控制當(dāng)前需要的測量值，其過程與整個(gè)過去的狀態(tài)有關(guān)，用到誤差的累加值，如式(3)所示:

增量式算法則是兩次相鄰標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算之差，得到的結(jié)果是增量，也就是說在上一次控制量基礎(chǔ)上所需要的增量，其公式如式(4)所示:

其中Kp為比例項(xiàng)系數(shù)，Ki為積分項(xiàng)系數(shù)，Kd為微分項(xiàng)系數(shù)，e(t)為輸入偏差量，e(t－1)為上次輸入偏差量，e(t－2)為上上次輸入偏差量。輸入偏差量e(t)表示為當(dāng)前測量值與設(shè)定值之差，設(shè)定目標(biāo)值是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或者負(fù)，正數(shù)表示還沒有達(dá)到，而負(fù)數(shù)則表示已超過設(shè)定值，這是面向比例項(xiàng)所需要運(yùn)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。累計(jì)偏差∑e(t)表示每一次測量偏差值的誤差，這是代數(shù)和，是面向積分項(xiàng)運(yùn)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。輸入偏差量的相對偏差Δe(t)=e(t)－e(t－1)表示本次的輸入偏差量與上次的輸入偏差量差值，用來考察當(dāng)前控制對象的變化趨勢，作出快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項(xiàng)的一個(gè)變動(dòng)依據(jù)。

3.3 測量方式選擇及結(jié)果

本文對傳感器迎風(fēng)表面進(jìn)行溫度控制，控制量占空比與整個(gè)過程有關(guān)，需要不停測量誤差的累加值，可選用PID 位置式算法進(jìn)行控制。每隔50 ms采樣一次測量值，進(jìn)行PID 運(yùn)算，通過調(diào)試PID 的各種參數(shù)，使溫度控制的精度能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求。

圖5為云水含量傳感器控制參量溫度和占空比結(jié)果顯示圖。從圖5(a)可以看出溫度準(zhǔn)確控制在140℃±0.3℃。圖5(b)中則可以看出此時(shí)控制量占空比在0.6 左右，由于加熱電源為12 V，加熱電阻為40Ω，因此通過運(yùn)算可得到加熱功率為2.16 W?？梢钥闯?，與上文云水含量為0 時(shí)所需的加熱功率2.32 W 相差僅7%。

圖5 云水含量傳感器控制參量結(jié)果顯示圖

在強(qiáng)對流天氣下，傳感器需以氣球?yàn)榇钶d平臺進(jìn)行云水含量測量。為了測量的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室中搭建一個(gè)模擬實(shí)際操作環(huán)境的實(shí)驗(yàn)平臺。在近似密閉環(huán)境中，利用噴霧裝置噴質(zhì)量m為0.1 g 的液態(tài)水以模擬，假設(shè)水滴均勻分布，測其分布面積S為0.05 m2，水滴加熱及蒸發(fā)的時(shí)間t為1 s，通過式(5)計(jì)算可將此模擬成云水含量為0.4 g/m3的云水含量。在實(shí)驗(yàn)中，使用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流，氣流方向與傳感器迎風(fēng)面垂直，用以模擬傳感器在高空中空氣對流對傳感器的影響。

圖6為水滴粘附傳感器迎風(fēng)面結(jié)果顯示圖。從圖6(a)可看出傳感器在水滴粘附到其表面之前，溫度能夠保持在140℃±0.3℃。當(dāng)受到空氣對流和水滴對它的影響時(shí)，溫度會(huì)驟降2℃左右，然后在短時(shí)間(約1 s 內(nèi))回升保持到140℃±0.3℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微型云水含量傳感器在測量云水含量時(shí)，即使遇到云中大水滴，傳感器表面的溫度也大于水的沸點(diǎn)，能夠?qū)⑵渫耆舭l(fā)以避免水滴量流失，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)熱線儀傳感器。從圖6(b)中可看出當(dāng)水滴粘附到傳感器迎風(fēng)面時(shí)，占空比會(huì)變大并進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后穩(wěn)定在0.6 左右。這段時(shí)間的占空比值如表3所示，經(jīng)過運(yùn)算可得到此期間加熱電阻所加載的平均功率P1為3.32 W。通過式(6)計(jì)算可得到此時(shí)云水含量為0.37 g/m3，與所模擬的0.4 g/m3云水含量基本符合。由此推出此微型云水含量傳感器可用來測量強(qiáng)對流天氣下的云水含量。

其中，P0為云水含量為0 時(shí)所需的加熱功率，t為水滴加熱及蒸發(fā)的時(shí)間，E水、V和A表與式(2)中代表的意義相同。

圖6 水滴粘附傳感器迎風(fēng)面結(jié)果顯示圖

表3 水滴粘附傳感器迎風(fēng)面時(shí)占空比值

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種在傳統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上研制出來的微型云水含量傳感器，它具有較高的靈敏度和線性度。并利用有限元仿真分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對傳感器的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行模擬測試，得到了加熱電阻的加熱功率與云水含量之間的關(guān)系，以此推出強(qiáng)對流云層中液態(tài)水含量的大小。還利用PID控制原理對傳感器芯片探頭表面進(jìn)行溫度控制，便于得到準(zhǔn)確的云水含量測量值。與傳統(tǒng)熱線儀傳感器比較，微型熱線儀傳感器具有體積小、功耗低、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，在氣象探測和災(zāi)害預(yù)警領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］張建新，廖飛佳，王文新.中天山山區(qū)大氣總水汽量和云液水量的遙感研究［J］.中國沙漠，2003，23(5):65－68.

［2］馬培民.人工影響天氣現(xiàn)狀與展望［C］//北京:氣象出版社，2002:213－214.

［3］梁谷，雷恒池，李燕.機(jī)載微波輻射計(jì)云中含水量的探測［J］.高原氣象，2007，26(5):1105－1111.

［4］Massimiliano Melani，Lorenzo Bertini.Hot Wire Anemometric MEMS Sensors for Water Flow Monitoring［J］.Sensors IEEE，2008:342－347.

［5］Richard J.Cloud Sampling Instruments for Icing Flight Tests:(2)Cloud Water Concentration Indicators［J］.DOT/FAA/AR－TN06/30，2006，8:14－18.

［6］程剛.恒溫?zé)峋€測量云中液態(tài)水含量的原理和方法［J］.氣象科技，1979，(1):1－2.

［7］李宗興，陳德勇，王軍波.MEMS 應(yīng)變式結(jié)冰傳感器設(shè)計(jì)與制作［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(8):1108－1113.

［8］馬錦才.基于有限元法的機(jī)床主軸長度分析與設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34(2):1－3.

［9］LI Fenhua，XING Jian.Thermal Analysis and Stress Analysis of the Heat-Exchange Pipe Based on ANSYS［J］.Information and Computing，2011:282－285.

［10］張朝暉.Ansys 12.0 熱分析工程應(yīng)用［M］.北京:中國鐵道出版社，2010:520－521.

［11］華慶，殷景華，焦國芹.基于ANSYS 的功率VDMOS 器件的熱分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2009，32(2):354－356.

［12］Song K D，Lee D D.A Micro Hot-Wire Sensors for Gas Sensing Applications［J］.Sensors and Actuators B，2004:1－6.

［13］魏小龍.MSP430 系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［14］董釗，高偉，甘玉泉.基于DSP 的高精度恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2009，32(4):855－858.

［15］張立群，李東海，唐多元.熱力系統(tǒng)串級控制PID 參數(shù)優(yōu)化研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17(8):1848－1851.