标签: 监测系统

引言 风场信息的测量是气象或空气动力学领域的重要工作内容之一，其测量的精确性对于气象研究尤为重要。 激光测风雷达作为新型测风技术，利用多普勒（ Doppler ）原理获取风向、风速信息，具有能够探测晴空风场、测风范围广、探测精度高、时空分辨率高、机动性能好的优点，其在风场精准探测领域具有重要应用前景 。 Doppler 激光雷达风速测量原理 激光多普勒测风雷达是指利用多普勒效应获取探测目标运动信息的激光雷达系统。多普勒效应由奥地利物理学家 Doppler 于 1842 年提出，指在波源与观测者有相对运动时，观测者接收到的波的频率发生改变的现象。风速的测量可通过测量大气中的大气运动分子及气溶胶运动粒子的后向散射信号 Doppler 频移来实现，即通过探测目标与激光发射信号间的相互作用来获得大气或气溶胶的后向散射特性，进而通过其后向散射的频率检测获得大气径向风速的多普勒频移，再计算获得大气的径向风速。如图（ 1 ）所示为 Doppler 激光测风雷达的基本原理图。 图 1 Doppler 激光测 风雷达基 本原理图 温度、湿度和 气压 对 激光测风雷达 的影响 温度 激光雷达接收后向散射信号中，主要包含的是气溶胶的散射信号和分子散射信号。大气中的粒子无法自行发射 激光，要测量大气粒子的运动速度，需要从激光雷达发射机发射激光与之相互作用，接收粒子 “发射的激光”（散射光）。此过程分为两步，一是运动速度为 v 的大气粒子接收频率为 f 激光；二是接收机接收运动速度为 v 的大气粒子发射的频率为的 (1+ v / c ) f 0 激光。 则 Doppler 频移 与粒子运动速度的关系为： 大气中的气溶胶粒子，如云、灰尘等，随着风或湍流运动，其速度约为 ~1 m/s 或 ~10 m/s 。 由于在大气中，分子不停地在做无规则热运动，分子的无规则热运动的 Maxwell 分布： 其中 T 为大气温度，在该分布下的最大速度为： 由此可见，大气温度与 Doppler 频移密切相关。带入 k =1.38x10 -23 J/K 与 m =4.82x10 -26 Kg ， T =300K 温度下大气分子振动的最大速度约为 400m/s ，这相当于 ~1GHz 的 Doppler 频移 。 湿度 有研究人员测试了后向散射系数随湿度变化，发现随着湿度的增大，后向散射系数也有着随之增大的趋势。在大风速以及大风区长度下，系数最大。在小风速情况下，气溶胶的产生主要起源于破裂气泡的薄膜碎片，由于湿度较大时导致粒子与水滴吸附，导致吸收变大，但是风速较小不能补充更多其他组分粒子，从而导致散射减小 。 图 2 后向散射系数随湿度的变化 由此可见温度和湿度都是直接影响激光测风雷达测得结果的重要参 数，其在测风雷达中准确监测的重要性不言而喻。除此以 外，温度，湿度，大气压都是气象监测中的重要参数，在气象研究中有重要作用， 大气压也会影响大气环境中的温度和湿度 ，其三者之间息息相关。 如何准确监测温度，湿度和气压？ 既然在激光测风雷达中准确监控 温度，湿度和气压 具有重要意义，那么，如何才能实现他们的准确监控呢？ ——虹科 Comet 监测系统为您提供优秀的解决方案！ 虹科 Comet T7310 和 Comet T7311 是可用于室内室外的环境温度计、湿度计和气压计。 T7310 内置相对湿度、温度和大气压力传感器。 T7311 外接传感器。可搭载到激光测风雷达中，体积小，稳定性好。测量值还可转换为其他湿度表示形式：露点温度、绝对湿度、比湿度、混合比、比焓。二者都是通过 RS232 输出，实时监控环境中的温度，湿度和气压。 虹科 Comet T7310 ——工业级温度、湿度、气压变送器 -RS232 输出。用于环境监测的天气传感器，目前市场上最好且应用最广泛的气压计之一。 （ 1 ）温度测量范围： -30 to +80 ℃ （ 2 ）湿度测量范围： 0 to 100 % RH （ 3 ）露点测量范围： -60 to +80 ℃ （ 4 ）气压测量范围： 600 to 1100 hPa （ 5 ） 通讯协议 ： ModBus RTU 和研华 ADAM 兼容协议 虹科 Comet T7311 ——工业级温度、湿度、气压变送器 -RS232 输出，外置探头。 （ 1 ）温度测量范围： -30 to +105 ℃ （ 2 ）湿度测量范围： 0 to 100 % RH （ 3 ）露点测量范围： -60 to +80 ℃ （ 4 ）气压测量范围： 600 to 1100 hPa （ 5 ）通讯协议： ModBus RTU 和研华 ADAM 兼容协议 虹科 COMETEO 气 象传感器的专业太阳辐射保护罩 专业的辐射防护罩，用于保护温度传感器或组合式温湿度传感器。被动、自然通风的辐射防护罩设计用于保护直径为 13 至 18 毫米的 气象 传感器。 （1） 多层太阳辐射百叶罩 用于保护天气监测系统并提供最准确的气候测量结果。 该 独特设计的 防护罩 可最大限度地减少到达传感器的太阳辐射，减少 保护罩 吸收的辐射，并增加气象站传感器周围的环境空气流量。 （2） 暴露在阳光下的表面由高反射紫外线和长期稳定的 ASA 塑料制成。屏幕的内表面由哑光黑色塑料制成，以最大限度地减少内部反射。 （3） 210mm 直径的 14 块板旨在为天气传感器提供全面保护。 （4） 优秀的黄蜂和虫子威慑 力 。精密的设计可防止昆虫在内部筑巢，从而 避免 降低测量性能。 （5） 史蒂文森筛网的低成本稳定替代品，与传统的史蒂文森筛网相比，由于时间常数低，可减少维护并提高性能。 （6） 尺寸 250 毫米（直径），396 毫米（高度） 实际应用图片： 参考文献 赵文凯 , 赵世军 , 单雨龙 , 孙学金 . 激光测风雷达风场探测性能评估 . 中国测试 ,2022. 范二荣 . 一种 355nm 主动激光测风雷达光学系统的研制 . 合肥工业大学 ,2018. 张飞飞 . 高时空分辨率多普勒测风激光雷达系统研究 . 中国科学技术大学 ,2015. 景旭阳 . 相干多普勒测风激光雷达回波特性及风速估计算法研究 . 山东大学 ,2021.

一、背景     大型强子对撞机（LHC）在欧洲核子研究组织，被称为欧洲核子研究中心，最近因为Higgs玻色子–所谓上帝粒子的发现而吸引大众的眼球。欧洲核子研究中心在瑞士和法国边境附近的日内瓦的地底下100米深的地方，设有一个高能量的对撞机，用于探索高能物理。这是一个巨大的高能物理设施，在世界上没有其他的设施配套可以与之相比。      对撞机操作一对反向旋转的粒子环四实验，颗粒从相反的方向彼此碰撞，彼此有交叉，说明短暂存过，最近也发现Higgs波色子 。      大部分的注意力都被集中于捕获所有可用的数据以确定新粒子的实验上，然而监测环本身也是一个重大的关键点，这个是需要通过打开模拟信号信息系统来实现，该系统称为OASIS。从对撞机监控传来的信号可以敲打很多地方，所以要确保系统中的每个点都是可用的。      一个像CERN这样的拥有大量预算资金的组织，虽然已确保其预算与政府财政支持赞助，该系统也是具有成本效益的。OASIS系统利用一套数字化仪获得信号，信号是通过以太网系统转送到使用者那里的，但设备非常昂贵，不可能每个监控信号都用一种数字化仪。pickering的开关系统是用来让OASIS系统从各种可用的信号中选择需要显示的信号，开关系统是基于VXI和最近的cPCI的解决方案的，这是其中的改进的地方。 二、升级CERN系统      欧洲核子研究中心每两年都会升级其系统，对撞机的能量可以提高很多（几乎翻了一番），升级之后可以进行更多的新物理探讨。对撞机进行（二月2013）这个升级的计划，未来将有更多的需求的。升级过程是少不了OASISI系统的升级的。      显示器信号给开关系统提出了不少的难题。欧洲核子研究中心希望在每个位置能选择16个最多104个信号进行数字化。模拟信号的频率内容很多很多MHz，有从不同的显示器上得来的相近的潜在差异。这主要是通道以及带宽之间的串扰上的困扰。如果一个高层次的源信号被选择，同时从一个较低的水平上不同的通道的信号也被选择，然后大信号会分为小信号，这样会混淆控制器的。      CERN面临的另一个重要问题是对撞机的规模太大，你不能从这个位置很快就去到另一个位置，就算隧道里已经装备了自行车，也是很困难的。远距离的操作是任何一个解决方案都得具备的基本要求。 三、设计新的OASIS开关系统      CERN找到了pickering以寻找建立一个新的开关系统的建议，他们的目的是想在计划中的升级过程中进行开关系统的升级。基础的要求是用一个拥有10MHz的带宽和一个最大可达104x16的矩阵。经过谈论之后，我们发现，通道之间的串扰是一个最值得考虑的部分，还有就是系统本身的尺寸的要求让利用传统的产品来解决这个问题是不可能的，还有无法达到目标和远超出了预算的要求。      明显的是矩阵不得不比在每一个模拟信号中放置一个数字化仪更加优惠。这个优越的平台是在工业计算机中的PCI，但是它明显是在加载了PCI的模块之后无法将它添加到开关系统中，在cPCI和PXI中也存在着同样的问题。 图1  CERN的要求（在高达16个数字化仪上连接高达104个模拟数据源）        为了得到一个高性能的矩阵模块，这就要求开关系统来决定最后的方案中的产品类型--这就排除了在方案中使用任何固定模块化的平台的可能。一个模块需要的是使得矩阵系统的大小在不同的位置中是可以升级的，这就要求矩阵式有不能的规格的，可能在一个位置要求的是一个64x16的矩阵，在另一个位置要求的是一个106x16的矩阵。系统也可以跟随着传感器的数目的变化和通道数目的变化来改变他们的要求。这就表明了一个可以升级的模块是必须要的，而且模块的大小是需要适合矩阵的设计的要求的。这就激励着Pickering Interfaces考虑使用一个大小很灵活可以改变的的LXI路由器。 四、LXI 路由器      LXI拥有对于CERN很有用的特点，因为他们中的大部分已经用到了以太网数据，所以说将LXI矩阵连接到它之上是没有多大的问题的。LXI控制也意味着他们可以在没有添加内部控制器的情况下管理它们的网络，这是LXI的产品网络服务中心带来的好处。      在讨论另一个问题的过程之中，碰撞机上进行得的实验是非常多的，并且昂贵的管理费用，CERN想要的是找出了在矩阵中的开关有一个大的错误并且有预防监控的操作。在得知Pickering Interfaces已经在LXI和PXI（叫做BIRST）进行了自行的测试，CERN要求在开关系统中进行一系列自行的测试，还有就是在理想的状态下，开关是需要同轴的连接器，测试也必须是可以在连接到一个没有供电电源或者是负载的输入和输出中是可用的。可以添加和运行设备将是一个OASIS的一个有力的工具。   图2  65-110矩阵模块        最后被CERN采纳的是65-110 带宽模块化LXI矩阵。这个开关矩阵式基于一个拥有专用的模拟总线系统的机箱。在机箱里面有一套可以用来安装的插件，在左手边的部分提供了一个可以用在数字化仪的16Y的连接器。一套X插件也提供了一个模拟信号输入，在模块插件上增加8个信号。X插件的数目可以从一个（8off X连接器）到多大13个（104off X连接器）进行扫描，允许用户在机箱的限制范围内创建任何尺寸的矩阵。不用安装第二个Y插件就可以允许创建一个Y=8的系统--虽然CERN没有要求这个设置，但是其他的用户可能会在他们要求拥有一个小的系统的时候会觉得这个是一个优点。这个设计是用户完全可以进行设置的，插件模块可以进行物理安装或者是不安装，并且在LXI控制器中的固件将会识别和设置，然后可以根据已经安装的插件模块的大小来改装矩阵的大小。这个基于网络的软件面板，是一个在LXI标准上建立的，它允许矩阵不用安装驱动。   图3  65-110软件控制界面        这个矩阵式一个超前的方案，但是这个模块的大小是鳞状的，是为了装在应用中，而不是根据特别的标准来安装的。65-110的插件和模拟总线系统是必须要很仔细地为了RF功能来进行设计，特别是串扰，这个可以确保它是可以在系统应用中使用的。RF （射频信号）的带宽是高于300MHz的，并且可以在低串扰的情况下驱动，还有优秀的电压驻波比。      跟许多流行的设备一样，模块的通讯是通过一个PCIe接口和一个LXI控制器来实现的，这个是一个简单的矩阵，所以，LXI控制器让用户很容易就可以对矩阵进行编程。LXI控制器隐藏了开关系统的复杂性，矩阵在用户面前显示的只是一个实体，而不是一个单独的子组件。它表现更像一个可用的设备，而不是一个模块设备。      这个设计用了一个在插件模块底层的模拟总线，并不是用了一个在模块系统中的插件的背面--是在一个矩阵内的，它让X和Y轴的信号线在正确的角度里拥有更多的意义，这个是为了提高串扰和隔离的能力。LXI的这个特点不是限制在模块的固定的大小内的，或者是放置一个模拟总线的，这样Pickering Interfaces就有能力根据开关的要求去设计一个更加超前的设备。   图4  65-110允许通过设置页便捷地添加自行测试通道        65-110 LXI矩阵包括了一个自行测试的设备，可以检测错误的继电器的所有的信号路径（关闭，打开和高阻抗）。这个设计用了一个低水平的信号，所以用户的连接器不需要在测试的时候断开（同时可以测试100个同轴的连接器），并且，自主测试可以在LXI的网络接口中开始，也不用在用户距离矩阵很远的地方的情况下，添加额外的用户控制器。      显示器也包括在Pickering Interfaces的LXI产品中，这就允许用户在没有任何矩阵的编程通道的情况下显示矩阵的设置，LXI系统允许在拥有多个控制器的情况下，非常容易创建系统。一个控制器可以设置开关，另一个不同的控制器可以用来在没有扰乱编程的情况下监视设置的过程。 五、总结      CERN的要求表明了LXI为其提供的优秀的平台，这个平台用来创建不同的拥有高性能的开关系统，这个开关是复杂的，也是带有远程控制功能的。CERN将要利用LXI的65-110开关矩阵作为OASIS系统的一部分，用于进行下一次更高性能的碰撞机试验中。 六、参考      可以登陆虹科电子的网站以及发邮件到support@hkaco.com了解关于LXI开关模块的更多信息。       如果你想要看一下CERN是怎么样进行它的实验的，可以在他们的网站上看到详细的消息。以下的链接提供了可以参考的资料： http://home.web.cern.ch/about/updates/2013/04/animation-shows-lhc-data-processing  http://home.web.cern.ch/about/engineering  http://home.web.cern.ch/about/accelerators  https://project-oasis.web.cern.ch/project-oasis/  

TPMS 测试系统 TPMS 概念 轮胎压力监测系统（Tire Pressure Monitoring System，TPMS），通过采用无线射频通信的胎压传感单元（发射）和胎压监测单元（接收），实现了对轮胎压力的实时监控。并对轮胎漏气和低气压进行报警，以确保行车安全 用途 据 2002 年美国汽车工程师学会调查，在高速 公路上发生的交通事故有 70%是由于爆胎引起的；此外，每年 75%的轮胎故 障是由于 轮胎渗漏 或充气不 足引起的。 美国联邦法案要求 2006 年 11 月 1 日起所有需 要行驶在高速公路上的汽车都需配置轮胎压力监测系统（TPMS）。 直接式 直接式（Pressure-Sensor Based TPMS，简称 PSB），这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，利用无线发射器将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的系统，然后对各轮胎气压数据进行显示。当轮胎气压太低或漏气时，系统会自动报警。属于事前主动防御性，如卫驶泰 TPMS。 直接式 TPMS 的优势 是通过电桥式电子感应装置实时地感应轮胎的气压与温度，所得数据是精确的测量的结果，是业界主流、正规的、专业的做法。弊端是：制作成本较高，安装维护需要专业人员。 产生背景 随着社会的进步和发展，国家在“汽车产业调整和振兴规划”中把汽车轮胎压力监测系统（TPMS）技术列为汽车电子类第一项，可见在目前情况下轮胎压力监测技术被期待着有进一步的突破。                                                    联华行