金 銳

(江西省大氣探測技術(shù)中心，南昌 330096)

0 引言

新型自動氣象站推廣使用之后，有效提升了地面氣象觀測自動化水平，降低了基層臺站氣象觀測業(yè)務(wù)人員的勞動強度，且有效地提升了各常規(guī)觀測要素的連續(xù)性，從而為天氣預(yù)報、氣候科學(xué)研究、氣象防災(zāi)預(yù)警服務(wù)等業(yè)務(wù)提供了更有價值的數(shù)據(jù)支撐。為確保自動氣象站觀測數(shù)據(jù)的準確性，需對各要素傳感器進行量值溯源。目前，絕大多數(shù)地區(qū)采用的是現(xiàn)場校準方式。

氣壓是作用在單位面積上的大氣壓力，在數(shù)值上等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱所受到的重力。氣壓作為自動氣象站中必不可少的氣象觀測要素之一，目前主要采用硅電容氣壓傳感器對其進行觀測，在進行現(xiàn)場校準時，常受環(huán)境或者其他因素影響導(dǎo)致校準結(jié)果不夠精確。

近年來，相關(guān)業(yè)務(wù)人員對氣壓傳感器校準準確度進行了探索，例如：蔡海洋[1]、黃清治[2]、張英華[3]、杜利東[4]等對氣壓傳感器的校準方法進行了探討；劉洪濤[5]、張敏[6]、謝連妮[7]等對氣壓傳感器測量結(jié)果的不確定性進行了分析；李文博[8]、蔣濤[9]等分別從濕度和元電氣等方面探討了對氣壓傳感器校準結(jié)果的影響。上述研究成果，均未涉及溫度對氣壓校準結(jié)果影響的相關(guān)分析，基于此，文章在已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場校準工作實際情況，對現(xiàn)場校準時環(huán)境溫度上升對氣壓傳感器校準數(shù)據(jù)的影響進行探討，期望提升氣壓傳感器現(xiàn)場校準水平以及氣壓傳感器觀測數(shù)據(jù)的準確性。

1 氣壓傳感器工作原理

氣壓傳感器一般由壓力敏感元件、壓力轉(zhuǎn)化元件和信號處理元件3部分組成，如圖1所示，氣壓傳感器的最終目的是將壓力輸入信號轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的相關(guān)的模擬電信號，從而達到測量氣壓的目的[10-12]。

圖1 氣壓傳感器工作原理示意圖

由于硅電容具有較強的壓力敏感性能，因此常用作氣壓傳感器的壓力敏感元件。目前國家自動氣象站常用的PTB210、PTB220、PTB330型氣壓傳感器均屬于硅電容氣壓傳感器。

硅電容氣壓傳感器工作原理：由硅電容器組成的RC振蕩電路的頻率隨氣壓(硅電容器的電容)變化而變化。在電路中接入?yún)⒖茧娙?，其目的是檢驗壓力和溫度補償。硅電容氣壓傳感器由單晶硅的薄層構(gòu)成，該單晶硅的薄層焊接在涂有金屬導(dǎo)電膜的玻璃板上，形成中間真空的硅膜盒。通過蝕刻使靠近玻璃板的單晶硅晶片上形成硅膜，并在硅膜上噴金使其導(dǎo)電，進而讓導(dǎo)電玻璃板和硅膜構(gòu)成平行板電容器。當硅膜上的氣壓變化時，單晶硅膜盒將出現(xiàn)彈性形變，導(dǎo)致硅膜盒的電容發(fā)生變化，從而構(gòu)成一個RC振蕩器。硅電容氣壓傳感器使用微處理器輸出穩(wěn)定的數(shù)字信號或模擬信號(此過程需進行壓力線性修正和溫度補償)，然后傳輸至采集器，最終獲得氣壓觀測數(shù)據(jù)。

2 氣壓傳感器校準方法

氣壓標準器和壓力調(diào)節(jié)裝置放置在與氣壓傳感器相同的高度，并用軟管將其連接成一個封閉的測量系統(tǒng)(圖2)。為使軟管對測量系統(tǒng)的性能影響盡量小應(yīng)選擇較短的軟管，并確保軟管的氣密性。其校準原理為：壓力調(diào)節(jié)裝置、氣壓標準器和氣壓傳感器處于一個封閉的測量系統(tǒng)，通過壓力調(diào)節(jié)裝置改變氣壓大小的同時將氣壓標準器和氣壓傳感器的數(shù)值進行對比，從而判定氣壓傳感器的計量性能[13-15]。

圖2 氣壓傳感器校準連接示意圖

在實驗室環(huán)境為20 ℃時選取固定的幾個校準點對性能確定的氣壓傳感器進行校準，獲取該氣壓傳感器在校準點下的誤差值；然后將該傳感器帶到野外國家級自動氣象站選取氣溫上升的時間段進行現(xiàn)場校準，并選取與實驗室相同的校準點；通過對實驗室和野外現(xiàn)場校準的結(jié)果進行對比，分析溫度上升對測量結(jié)果的影響[16，17]。

3 校準試驗

3.1 實驗室校準試驗

首先，依據(jù)JJG(氣象)001-2015《自動氣象站氣壓傳感器檢定規(guī)程》在實驗室開展校準工作，采取745-16B型數(shù)字氣壓儀作為標準器，調(diào)壓裝置為YKQ-20型壓力調(diào)節(jié)裝置，使用性能穩(wěn)定的PTB210型氣壓傳感器作為實驗傳感器(確保外觀未受損，標記銘牌上數(shù)據(jù)清晰等)，將其分別通電預(yù)熱15 min，然后調(diào)節(jié)氣壓，校準點分別為：900 hPa、1000 hPa、1100 hPa。調(diào)節(jié)順序為：低壓到高壓(正行程)，再從高壓到低壓(反行程)。在升壓和降壓時，待每個校準點穩(wěn)點后，分別讀取10組數(shù)據(jù)進行對比并獲取誤差值，結(jié)果如表1所示。

表1 溫度為20 ℃時氣壓傳感器實驗室校準誤差值 hPa

由表1可知，20 ℃時，該氣壓傳感器在校準點900 hPa、1000 hPa、1100 hPa對應(yīng)的平均誤差值分別為0.20 hPa、0.21 hPa、0.20 hPa，并且不同校準點升壓和降壓過程的標準差均為0.00562 hPa。

3.2 現(xiàn)場校準實驗

將實驗室校準實驗中使用的氣壓傳感器帶到南昌市氣象觀測站，將其接入自動氣象站采集器中，并使用相同的標準器和調(diào)壓裝置采用圖2的連接方法進行試驗。實驗開始前需通電預(yù)熱15 min，然后調(diào)節(jié)氣壓，具體實驗步驟與實驗室校準類似，選擇上午溫度上升的時間段分批次進行試驗，在進行校準試驗的同時需對溫度上升趨勢進行實時監(jiān)測。溫度每上升1 ℃，在每個校準點對應(yīng)的升壓和降壓區(qū)間分別選取10組數(shù)據(jù)進行記錄。

通過統(tǒng)計分析可知，900 hPa校準點在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃ 3個溫度區(qū)間對應(yīng)的平均誤差分別為0.206 hPa、0.2135 hPa、0.2335 hPa，對應(yīng)的標準差為0.005982 hPa、0.006708 hPa、0.007452 hPa；1000 hPa校準點在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃ 3個溫度區(qū)間對應(yīng)的平均誤差分別為0.214 hPa、0.2245 hPa、0.2350 hPa，對應(yīng)的標準差為0.005982 hPa、0.006048 hPa、0.006882 hPa；1100 hPa校準點在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃ 3個溫度區(qū)間對應(yīng)的平均誤差分別為0.2035 hPa、0.2235 hPa、0.2380 hPa，對應(yīng)的標準差值為0.005871 hPa、0.006708 hPa、0.006959 hPa。

3.3 實驗結(jié)果分析

實驗室校準實驗的校準環(huán)境穩(wěn)定，因此校準結(jié)果可靠?，F(xiàn)場校準時，隨著溫度升高，各校準點測量誤差及誤差的標準差相對于在20 ℃實驗室環(huán)境下的偏離情況如表2所示。

表2 現(xiàn)場校準時測量誤差及標準差偏差情況

由表2可知，現(xiàn)場校準時的誤差值均大于實驗室校準誤差值，且在現(xiàn)場校準時，隨著氣溫的升高，在各校準點的測量誤差偏離值逐漸增大。

標準差一般反映的是數(shù)值之間偏離程度(即可間接反映數(shù)值的波動度)，900 hPa、1000 hPa、1100 hPa 3個校準點在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃溫度區(qū)間對應(yīng)的標準差隨著溫度的升高呈上升趨勢，且均大于實驗室環(huán)境下的標準差。由此可見實驗室校準結(jié)果的波動度較小。

4 結(jié)束語

當氣壓傳感器現(xiàn)場校準的環(huán)境溫度上升時，對校準誤差值具有一定的影響，且溫度的上升會導(dǎo)致校準結(jié)果的波動程度上升，極易引起判斷失誤。針對溫度對氣壓傳感器現(xiàn)場校準的影響，在校準時應(yīng)避開升溫過快的時間段，同時需要在氣壓穩(wěn)定的時候開展校準工作，從而確保校準結(jié)果的可靠性。