專利名稱：一種具有自修正功能的高等級總輻射傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種總輻射傳感器(也稱為總輻射表)，尤其是一種具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，屬于輻射傳感器的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
總輻射傳感器是太陽輻射測量中使用最多的一種儀器，這種儀器結(jié)構(gòu)簡單、易于使用，通過它的測量可以直接獲得所需要的地面日照的總能量?？傒椛浔頊y量輻射波長范圍一般從300-3000nm，當前的性能良好的總輻射表的傳感器均為熱電堆型。根據(jù)IS09060 (IS09060 1996)及WMO儀表與觀測方法委員會(CIMO) 《氣象儀器和觀測方法指南》的有關(guān)規(guī)定，總輻射表可以分為三種，從性能高低排列分別是二等標準表、一級總輻射表和二級表?？傒椛鋫鞲衅鞯恼`差主要來源于以下幾項余弦響應、溫度系數(shù)、方位響應、零點漂移、非線性等5項，其中前3項是主要的，大約占據(jù)了整個誤差的85%左右。余弦和方位響應對某一個傳感器來講分布是固定的，決定于傳感器與太陽位置的關(guān)系即高度角和方位角直接相關(guān)，只要已知了太陽相對于傳感器的位置，可以根據(jù)預先進行的實驗室測試值進行修正，而太陽位置可以根據(jù)傳感器所處的經(jīng)緯度和實時時鐘進行理論計算，計算的精度可以控制在3度之內(nèi)，符合修正的要求。溫度響應則可以通過實測傳感器工作溫度進行實時修正。通過這三項修正，可以大大降低傳感器的誤差，據(jù)計算大致可以總體降低誤差80%， 完全可以達到二等表的指標。目前，國內(nèi)總輻射二等標準表基本是采用國外進口的，國內(nèi)的總輻射表一般只能達到一級總輻射表的水平。而進口二等標準表的價格非常昂貴，一級總輻射表大概市場價格為5000元，二等表的價格為18000元；大大高于一級總輻射表的價格。因此限制了國內(nèi)市場輻射表的使用。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，其結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，使得一級總輻射表輸出精度能達到二等標準表要求，降低使用成本，安全可靠。按照本實用新型提供的技術(shù)方案，所述具有自修正功能的高等級總輻射傳感器， 包括一級總輻射表；所述一級總輻射表內(nèi)設有用于測量一級總輻射表冷端溫度的溫度傳感器，一級輻射表及溫度傳感器均與數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)的處理器相連，處理器通過數(shù)據(jù)接口接收一級總輻射表對應的溫度特性、方位誤差值、當?shù)亟?jīng)緯度、時鐘及由于俯仰角不同產(chǎn)生的余弦誤差值，并將所述溫度特性、方位誤差值及余弦誤差值存儲于數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)；處理器根據(jù)溫度傳感器測量的溫度值、溫度特性、方位誤差值及俯仰角余弦誤差值對一級總輻射表測量的輻射值進行修正補償，使得處理器通過信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊或數(shù)據(jù)接口輸出的測量輻射值達到二等標準表的輸出精度。[0008]所述一級總輻射表包括輻射感應組件，所述輻射感應組件包括熱電堆傳感器，溫度傳感器安裝于熱電堆傳感器的冷端。所述溫度傳感器為Ptioo溫度傳感器。所述溫度傳感器通過四線制方式與數(shù)據(jù)處理單元相連。所述數(shù)據(jù)接口為RS232或 RS485 接 Π。所述一級總輻射表及溫度傳感器通過接口電路及信號調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換模塊與處理器的輸入端相連。所述信號調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換模塊對應AD轉(zhuǎn)換的有效位數(shù)至少為15位。所述處理器的電源端通過DC/DC變換器與外部直流電源相連。所述處理器的時鐘端與實時時鐘相連，處理器的輸入端與看門狗電路相連。所述信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊對應DA轉(zhuǎn)換的有效位數(shù)為12位。本實用新型的優(yōu)點測量得到一級總輻射表對應的溫度特性、方位角誤差值及俯仰角不同產(chǎn)生的余弦誤差，處理器通過溫度傳感器測量的溫度值、一級總輻射表對應的溫度特性、方位角誤差及余弦誤差值對一級總輻射表輸入的輻射值進行修正補償，經(jīng)過修正補償后，處理器通過信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊或數(shù)據(jù)接口輸出的測量輻射值達到二等標準表的輸出精度；通過上述修正補償后，本實用新型不僅使得原來的一級總輻射表輸出輻射值的精度指標大大提高，基本達到了二等標準表的要求；而且使得一級總輻射表在輸出形式、靈活性等方面也有了改善；由于采用了一級總輻射表進行修正補償達到二等標準表的輸出精度，因此價格上比原來進口的二等標準表要下降50%，性價比方面的優(yōu)勢比較國外產(chǎn)品大大提高，成為市場有利的主流產(chǎn)品。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
下面結(jié)合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1所示本實用新型包括一級總輻射表1、接口電路2、信號調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換模塊3、處理器4、信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊5、數(shù)據(jù)存儲器6、數(shù)據(jù)接口 7、DC/DC變換器8、數(shù)據(jù)處理單元9、看門狗電路10、實時時鐘11、溫度傳感器12及輻射感應組件13。目前，國內(nèi)總輻射表不能達到二等標準表的技術(shù)要求主要問題有三個由于使用輻射感應組件13的溫度特性差異，導致溫度響應誤差不能達到二等標準表技術(shù)指標要求。 二等標準表溫度響應誤差為2%，一級總輻射表1只能到4%。而這個誤差僅僅與一級總輻射表1內(nèi)輻射感應組件13的工作溫度有關(guān)，且可重復。如果知道一級總輻射表1對應輻射感應組件13的溫度特性并進行補償，基本可以使得一級總輻射表1修正達到二等標準表水平。由于一級總輻射表1的外罩加工和玻璃罩特性，導致一級總輻射表1內(nèi)對應輻射感應組件13的方位響應誤差達不到二等標準表技術(shù)指標要求。二等標準表方位誤差為1%， 一級總輻射表1只能達到2%。而這個誤差與太陽和輻射感應組件13的相對位置有關(guān)，是可重復的，知道太陽方位，便可以對一級總輻射表1進行修正，達到二等標準表的水平。由于一級總輻射表1外罩加工和玻璃罩特性和感應元件的特性，導致傳感器余弦響應特性達不到二等標準表技術(shù)要求。二等標準表方位誤差為0. 5%，一級總輻射表1只能達到1。而這個誤差僅僅與太陽和輻射感應組件13的相對位置有關(guān)，是可重復的；只要知道太陽高度，可以使得一級總輻射表1進行修正到二等標準表的水平。上述三個誤差約占整個一級總輻射表1誤差的90%以上，因此通過對一級總輻射表1的上述三個誤差的修正，則完全可以得到符合二等標準表要求精度的高等級輻射表。如圖1所示為了能夠?qū)σ患壙傒椛浔?進行修正，使得修正后的測量精度達到二等標準表；所述一級總輻射表1與數(shù)據(jù)處理單元9相連，所述數(shù)據(jù)處理單元9包括處理器 4 ；一級總輻射表1測量得到的輻射值通過接口電路2、信號調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換模塊3與處理器4的輸入端相連。為了能夠得到一級總輻射表1的溫度值，一級總輻射表1內(nèi)設有溫度傳感器12，所述溫度傳感器12通過接口電路2、信號調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換模塊3與處理器4相連。溫度傳感器12采用PtlOO溫度傳感器，溫度傳感器12安裝于輻射感應組件13內(nèi)對應熱電堆傳感器的冷端。處理器4還與數(shù)據(jù)接口 7及數(shù)據(jù)存儲器6相連；處理器4通過數(shù)據(jù)接口 7能夠通過實驗得到一級總輻射表1對應的溫度特性、方位誤差及由于俯仰角不同產(chǎn)生的余弦誤差，并將上述參數(shù)存儲于數(shù)據(jù)存儲器6內(nèi)，便于對一級總輻射表1輸出的輻射值進行修正補償。處理器4的輸出端與信號調(diào)理D/A轉(zhuǎn)換模塊5相連，處理器4能夠通過信號調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換模塊5或數(shù)據(jù)接口 7輸出經(jīng)過修正補償后的輻射值，使得輸出的輻射值測量精度能夠達到二等標準表的測量精度。處理器4的電源端通過DC/DC變換器8與外部電源相連，處理器4的時鐘端與實時時鐘11相連，處理器4還與看門狗電路10相連。處理器4可以采用ARM或其他處理芯片。具體地，在現(xiàn)有一級總輻射表1的基礎(chǔ)上增加高精度的溫度傳感器12，通過溫度傳感器12用于測量表體冷端的溫度。溫度傳感器12可以安裝在輻射感應組件13對應的熱電堆的背面。通過實驗室高低溫箱和輻射檢測設備(檢測設備的精度高于二等標準表)可以得到被測量一級總輻射表1的在整個工作范圍內(nèi)的溫度特性(溫度變化導致敏感元件變化，使得測量輻射數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差)。將得到的溫度特性通過數(shù)據(jù)接口 7輸入數(shù)據(jù)處理單元9 內(nèi)的處理器4內(nèi)，處理器4存儲于數(shù)據(jù)存儲器6內(nèi)。處理器4可以通過測量溫度傳感器12 得到的溫度數(shù)據(jù)來實時修正一級總輻射表1輸出的輻射數(shù)據(jù)；能大大提高了一級總輻射表 1的溫度特性誤差，達到二等標準表的水平。其次對于現(xiàn)有一級總輻射表1，由于輻射感應組件13內(nèi)對應的敏感元件，玻璃球罩特性產(chǎn)生的方位誤差和由于俯仰角不同產(chǎn)生的余弦誤差，都可以通過實驗室的輻射測量設備在全角度，全范圍測量得到誤差數(shù)據(jù)。這些誤差數(shù)據(jù)是導致其和二等標準表差距的直接因素。因此當?shù)玫缴鲜稣`差數(shù)據(jù)后，就可以通過數(shù)據(jù)接口 7輸入數(shù)據(jù)處理單元9內(nèi)的處理器4，由處理器4存儲于數(shù)據(jù)存儲器6內(nèi)。數(shù)據(jù)處理單元9通過預先輸入安裝地點的經(jīng)緯度，以及自帶的高精度的實時時鐘11，可以計算出當前的方位角度和俯仰角度；也就可以將當前的方位和余弦輻射對一級總輻射表1進行誤差修正，以達到二等標準表的技術(shù)要求。一級總輻射表1采取完全無源工作方式，利用一個熱電堆傳感器生成一個與輻射流量成正比的毫伏電壓輸出。由于使用了兩個球型玻璃罩，減少了某些測量誤差；特別是熱偏差；所以輻射敏感組件13具有很高的測量精度。另外在輻射敏感組件13內(nèi)部安裝一個PtlOO高精度鉬電阻溫度傳感器12 ；溫度傳感器12通過四線制方式引出，測量輻射感應組件13對應熱電堆的冷端溫度，提供對輻射數(shù)據(jù)的補償。數(shù)據(jù)處理單元9功能主要是采集輻射感應組件13輸出的數(shù)據(jù)、計算修正處理后通過數(shù)據(jù)接口 7或者信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊5進行輸出。數(shù)據(jù)接口 7為RS232/RS485，信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊5將相應的輻射值以4-20mA電流或0-5V電壓的標準模擬信號輸出?！壙傒椛浔?的輻射輸入是小信號，信號輸入范圍0-20mv，因此信號調(diào)理與A/ D轉(zhuǎn)換模塊3內(nèi)對應AD轉(zhuǎn)換的有效位數(shù)至少需要15位以上，以滿足具有Iuv的分辨力的要求；對于鉬電阻的溫度傳感器12采用四線制測量時，所述15位ADC也能滿足測量的要求。處理器4輸出信號處理分為兩組信號輸出信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊5的模擬輸出或數(shù)據(jù)接口 7的RS232/RS485輸出。模擬信號輸出主要由DAC完成。處理器4將計算、 修正后的數(shù)據(jù)通過DAC轉(zhuǎn)換，變成4-20mA或者0-5V的模擬信號輸出。為了能得到輸出輻照度分辨力能做到0. 5W (測量范圍0-2000W)，信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊5的DAC的轉(zhuǎn)換精度為12位有效位。數(shù)據(jù)處理單元9的嵌入式軟件為基于實時的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)。主要功能包括實現(xiàn)基本的電壓和鉬電阻數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸功能；存儲器上實現(xiàn)參數(shù)、配置等參數(shù)數(shù)據(jù)存儲；具備實時時鐘RTC，保證時間誤差不大于15s/月，能計算太陽高度角和方位角通過輸入?yún)?shù)對傳感器余弦和方位誤差進行修正；配合硬件測量溫度對輻射數(shù)據(jù)進行溫度修正；根據(jù)通信協(xié)議輸出輻射數(shù)據(jù)、通過DAC進行模擬量輻射數(shù)據(jù)輸出。如圖1所示使用時，在一級總輻射表1內(nèi)安裝溫度傳感器12 ；同時根據(jù)相應測量設備，分別得到一級總輻射表1對應的溫度特性、方位角誤差值及俯仰角不同產(chǎn)生的余弦誤差，并將上述數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口 7輸入處理器4內(nèi)，由處理器4存儲于數(shù)據(jù)存儲器6內(nèi)。 工作時，處理器4對一級總輻射表1輸出的輻射值進行采樣，并同時對溫度傳感器12測量的溫度值進行采樣，處理器4通過溫度傳感器12測量的溫度值、一級總輻射表1對應的溫度特性、方位角誤差及余弦誤差值對一級總輻射表1輸入的輻射值進行修正補償，經(jīng)過修正補償后，處理器4通過信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊5或數(shù)據(jù)接口 7輸出的測量輻射值達到二等標準表的輸出精度。本實用新型通過上述修正補償后，本實用新型不僅使得原來的一級總輻射表1輸出輻射值的精度指標大大提高，基本達到了二等標準表的要求；而且使得一級總輻射表1 在輸出形式、靈活性等方面也有了改善；由于采用了一級總輻射表1進行修正補償達到二等標準表的輸出精度，因此價格上比原來進口的二等標準表要下降50%，性價比方面的優(yōu)勢比較國外產(chǎn)品大大提高，成為市場有利的主流產(chǎn)品。
權(quán)利要求1.一種具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，包括一級總輻射表(1);其特征是所述一級總輻射表(1)內(nèi)設有用于測量一級總輻射表冷端溫度的溫度傳感器(12)，一級輻射表(1)及溫度傳感器(12)均與數(shù)據(jù)處理單元(9)內(nèi)的處理器(4)相連，處理器(4)通過數(shù)據(jù)接口(7)接收一級總輻射表(1)對應的溫度特性、方位誤差值、當?shù)亟?jīng)緯度、時鐘及由于俯仰角不同產(chǎn)生的余弦誤差值，并將所述溫度特性、方位誤差值及余弦誤差值存儲于數(shù)據(jù)存儲器(6)內(nèi)；處理器(4)根據(jù)溫度傳感器(12)測量的溫度值、溫度特性、方位誤差值及俯仰角余弦誤差值對一級總輻射表(1)測量的輻射值進行修正補償，使得處理器(4)通過信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊(5)或數(shù)據(jù)接口(7)輸出的測量輻射值達到二等標準表的輸出精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，其特征是所述一級總輻射表(1)包括輻射感應組件(13 )，所述輻射感應組件(13 )包括熱電堆傳感器，溫度傳感器(12)安裝于熱電堆傳感器的冷端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，其特征是所述溫度傳感器(12)為PtlOO溫度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，其特征是 所述溫度傳感器(12)通過四線制方式與數(shù)據(jù)處理單元(9)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，其特征是所述數(shù)據(jù)接口( 7 )為 RS232 或 RS485 接口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，其特征是所述一級總輻射表(1)及溫度傳感器(12 )通過接口電路(2 )及信號調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換模塊(3 )與處理器(4)的輸入端相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，其特征是所述信號調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換模塊(3)對應AD轉(zhuǎn)換的有效位數(shù)至少為15位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，其特征是所述處理器(4)的電源端通過DC/DC變換器(8)與外部直流電源相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，其特征是所述處理器(4)的時鐘端與實時時鐘(11)相連，處理器(4)的輸入端與看門狗電路(10)相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，其特征是所述信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊(5)對應D/A轉(zhuǎn)換的有效位數(shù)為12位。 專利摘要本實用新型涉及一種具有自修正功能的高等級總輻射傳感器，其包括一級總輻射表；一級總輻射表內(nèi)設有溫度傳感器，一級輻射表及溫度傳感器均與數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)的處理器相連，處理器通過數(shù)據(jù)接口接收一級總輻射表對應的溫度特性、方位誤差值、當?shù)亟?jīng)緯度、時鐘及由于俯仰角不同產(chǎn)生的余弦誤差值，并將所述溫度特性、方位誤差值及余弦誤差值存儲于數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)；處理器根據(jù)溫度傳感器測量的溫度值、溫度特性、方位誤差值及俯仰角余弦誤差值對一級總輻射表測量的輻射值進行修正補償，使得處理器通過信號調(diào)理與D/A轉(zhuǎn)換模塊或數(shù)據(jù)接口輸出的測量輻射值達到二等標準表的輸出精度。本實用新型使得一級總輻射表輸出精度能達到二等標準表要求，降低使用成本。
文檔編號G01J1/00GK202281648SQ201120422740
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者龐黎, 張巖, 徐 明, 徐毅剛, 王永新 申請人:江蘇省無線電科學研究所有限公司