一种地基红外遥感地表温度观测装置的制作方法

本实用新型属于温度测量技术领域，尤其涉及一种地基红外遥感地表温度观测装置。

背景技术：

目前，我国气象台站主要采用铂电阻进行地表温度的观测。铂电阻测量地表温度的局限性日益突显，存在一些亟待解决的问题，受环境因素影响大、代表性、准确性差，对不同下垫面的适应性差，人工维护强度大，制约自动化观测业务发展。

地表温度为土壤(草面、雪面等下垫面)与空气交界处的温度。地表温度的维持和变化受到入射的太阳辐射、大气长波辐射、地球表面出射的红外辐射、感热和潜热通量、以及地面的热通量等因子的影响。因此，地表温度是表征地表与大气之间的能量和水分的平衡，地球资源环境动态变化，处理生物与大气圈之间物质和能量交换的一个重要参数。在农业、气候、生态、重大自然灾害预测和防灾减灾等许多领域的研究中具有重要的应用价值。

目前观测地表温度的方法为遥感观测与接触式观测两大类，遥感观测有卫星遥感观测和地面辐射观测，《地面气象观测规范》中常规的接触式地表温度观测仪器有玻璃液体温度表和铂电阻地温传感器。玻璃液体温度表及其所用人工观测方法获取的地表温度资料的准确性、代表性、比较性等存在一些问题。

随着气象观测要素精度和观测自动化程度的不断提高，铂电阻测量地表温度的局限性日益突显：气象业务中地表温度的观测规范使将感温部分的一半埋入土中，一半暴露在空气中，这就可能造成测量值并不能完全代表地面温度，且需要人工不断维护，制约了自动观测的进程；同时铂电阻传感器的观测结果还受到太阳辐射、传感器深入土壤的深度、地表风速等要素的影响。气象台站的草面温度观测场比较开阔，又无其他物体遮挡，故草面温度的变化主要取决于太阳辐射及近地面层大气的热量交换，草面温度传感器相当于处在一个特殊的微气候环境中，因此草面温度实质上是草间的空气温度而非单纯的草株本身的温度。

目前气象观测业务中，铂电阻测量地表温度仅限于裸露土地和草面温度，对水面、雪面、水泥地面、沥青地面进行观测，寻求一种更有效、更精确的测量装置来测量不同下垫面的地表温度，提高公共气象服务能力。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，本实用新型是针对气象行业的业务需求，建立一种地基红外遥感地表温度观测装置。

本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型的一种地基红外遥感地表温度观测装置，包括基座1、T形支架2、红外温度传感器3、铂电阻温度传感器4、ADAM-4118模块5、Zigbee温度采集模块6、RS485转RS232模块7、Zigbee无线协调器8。

T形支架2底部焊接在基座1上，T形支架2的横支杆上安装红外温度传感器3，并且使红外温度传感器3距离地面1m，并使红外温度传感器3的探头垂直朝下，地面上放置铂电阻温度传感器4，红外温度传感器3的红色与黑色引线分别接ADAM-4118模块5差分通道的正极与负极，RS485转RS232模块的型号为SP339；ADAM-4118有8个输入端口，为方便辨识，分别编号为0-7号端口，每两路作为一个信号的采集端；绿色引线接ADAM-4118模块5单端通道的正极，蓝色引线与负极相连并接地；ADAM-4118模块5可以将采集到的模拟信号转换为RS485信号，ADAM-4118模块5再与RS485转RS232模块相连，RS485转RS232模块通过信号线与PC9的RS232串口连接，Pt100铂电阻温度传感器采用四线制，与Zigbee温度采集模块6连接，并将测得电阻值通过无线发送给Zigbee无线协调器8，Zigbee温度采集模块6主处理器的型号为CC2530，Zigbee采用Z-Stack协议栈进行无线传输，所有采集点信号，通过2.4GHZ无线传输给Zigbee无线协调器8，然后Zigbee无线协调器8通过串口与PC9相连，因此PC9收到数据，PC 9通过内部软件将采集的电压信号处理后得到需要测量的温度值。

本发明进一步的方案是，T形支架2的横支杆上还安装有一个探头朝上的红外温度传感器3，并且该红外温度传感器3的红色与黑色引线分别接另一个ADAM-4118模块差分通道的正极与负极；绿色引线接另一个ADAM-4118模块单端通道的正极，蓝色引线与负极相连并接地；另一个ADAM-4118模块可以将采集到的模拟信号转换为RS485信号，另一个ADAM-4118模块再与RS485转RS232模块7相连，RS485转RS232模块7通过信号线与PC9的RS232串口连接。

本实用新型的有益效果：

1.地基红外遥感地表温度技术利用物体表面热辐射强度与温度的关系遥感地表温度，具有非接触、感应快、测量精度高等诸多优点，测量到的是地表的平均温度，被广泛应用在表面温度测量上。

2.随着技术发展，红外测温传感器在测量低温段的精度越来越高，推广使用红外地表辐射测温技术是必要的，具有重要应用价值。

3.气象观测业务中铂电阻测量地表温度仅限于裸露土地和草面温度，对水面、雪面、水泥地面、沥青地面等均未观测，随着气象服务的扩展，亟待寻求一种更有效、更精确的测量方法和手段来测量不同下垫面的地表温度。

附图说明

图1为本实用新型的红外温度传感器和铂电阻温度传感器的安装结构示意图；

图2为本实用新型的结构框图；

图3为本实用新型实施例1-3的结构示意图。

图中：1-基座、2-T形支架、3-红外温度传感器、4-铂电阻温度传感器、5-ADAM-4118模块、6-Zigbee温度采集模块、7-RS485转RS232模块、8-Zigbee无线协调器、9-PC。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-2所示，本实用新型的一种地基红外遥感地表温度观测装置，包括基座1、T形支架2、红外温度传感器3、铂电阻温度传感器4、ADAM-4118模块5、Zigbee温度采集模块6、RS485转RS232模块7、Zigbee无线协调器8。

T形支架2底部焊接在基座1上，T形支架2的横支杆上安装红外温度传感器3，并且使红外温度传感器3距离地面1m，并使红外温度传感器3的探头垂直朝下，地面上放置铂电阻温度传感器4，红外温度传感器3的红色与黑色引线分别接ADAM-4118模块5差分通道的正极与负极；绿色引线接ADAM-4118模块5单端通道的正极，蓝色引线与负极相连并接地；ADAM-4118模块5可以将采集到的模拟信号转换为RS485信号，ADAM-4118模块5再与RS485转RS232模块7连接，RS485转RS232模块7的型号为SP339；ADAM-4118模块5有8个输入端口，为方便辨识，分别编号为0-7号端口，每两路作为一个信号的采集端，RS485转RS232模块7通过信号线与PC9的RS232串口连接，Pt100铂电阻温度传感器4采用四线制，与Zigbee温度采集模块6连接，并将测得电阻值通过无线发送给Zigbee无线协调器8，Zigbee温度采集模块6主处理器的型号为CC2530，Zigbee采用Z-Stack协议栈进行无线传输，所有采集点信号，通过2.4GHZ无线传输给Zigbee无线协调器8，然后Zigbee无线协调器8通过串口与PC9相连，因此PC9收到数据，PC9通过内部软件将采集的电压信号处理后得到需要测量的温度值。

本发明进一步的方案是，T形支架2的横支杆上还安装有一个探头朝上的红外温度传感器3，并且该红外温度传感器3的红色与黑色引线分别接另一个ADAM-4118模块差分通道的正极与负极；绿色引线接另一个ADAM-4118模块单端通道的正极，蓝色引线与负极相连并接地；另一个ADAM-4118模块可以将采集到的模拟信号转换为RS485信号，另一个ADAM-4118模块再与RS485转RS232模块7连接，RS485转RS232模块7通过信号线与PC9的RS232串口连接。

如图3所示，选取裸露地面、草地、水泥地面三个不同的下垫面作为红外遥感地表温度观测平台

实施例1

将底部焊接有基座1的T形支架2安放在裸露地面上，并在T形支架2的横支杆上安装一个SI-111红外温度传感器3，保持SI-111红外温度传感器3的测温探头垂直朝下，横支杆下侧的裸露地面上安装一个Pt100铂电阻温度传感器4，其中，SI-111红外温度传感器3型号是SI-111-6507红外温度传感器，Pt100铂电阻温度传感器4为四线制铂电阻温度传感器，SI-111红外温度传感器4的红色与黑色引线分别接ADAM-4118模块5差分通道的正极与负极；绿色引线接ADAM-4118模块5单端通道的正极，蓝色引线与负极相连并接地，RS485转RS232模块7的型号为SP339；ADAM-4118模块5有8个输入端口，为方便辨识，分别编号为0-7号端口，每两路作为一个信号的采集端，操作中ADAM-4118模块5的0-1端口接裸露地面的SI-111红外温度传感器3；ADAM-4118模块5可以将采集到的模拟信号转换为RS485信号，ADAM-4118模块5再与RS485转RS232模块7连接，RS485转RS232模块7通过信号线与PC的RS232串口连接，Pt100铂电阻温度传感器4与Zigbee温度采集模块6相连Pt100铂电阻温度传感器4采用四线制，与Zigbee温度采集模块6连接，并将测得电阻值通过无线发送给Zigbee无线协调器8，Zigbee无线协调器8再通过串口与PC9相连；Zigbee温度采集模块6主处理器的型号为CC2530，Zigbee采用Z-Stack协议栈进行无线传输，Zigbee温度采集模块6与Zigbee无线协调器8相连，完成信号的采集与传输。

在实施例1的T型支架的横支杆上再安装一个SI-111红外温度传感器3，该SI-111红外温度传感器3的红色与黑色引线分别接另一个ADAM-4118差分通道的正极与负极；绿色引线接另一个ADAM-4118模块5单端通道的正极，蓝色引线与负极相连并接地，RS485转RS232模块7的型号为SP339；ADAM-4118模块5有8个输入端口，为方便辨识，分别编号为0-7号端口，每两路作为一个信号的采集端，实际操作中，6-7号端口接向上的SI-111红外温度传感器；另一个ADAM-4118模块5可以将采集到的模拟信号转换为RS485信号，另一个ADAM-4118模块5再与RS485转RS232模块7连接，RS485转RS232模块7通过信号线与PC的RS232串口连接，并保持该红外温度传感器3的测温探头朝上，以消除大气环境辐射的影响和修正温度系数，提高地基红外遥感地表温度测量的精度。

实施例2

将底部焊接有基座1的T形支架2安放在草地上，并在T形支架2的横支杆上安装一个SI-111红外温度传感器3，保持SI-111红外温度传感器3的测温探头垂直朝下，横支杆下侧的草地上安装一个Pt100铂电阻温度传感器4，其中，SI-111红外温度传感器3型号是SI-111-6509红外温度传感器，Pt100铂电阻温度传感器4与实施例1相同，SI-111红外温度传感器3的红色与黑色引线分别接ADAM-4118模块差分通道的正极与负极；绿色引线接ADAM-4118模块5单端通道的正极，蓝色引线与负极相连并接地，RS485转RS232模块7的型号为SP339；ADAM-4118模块5有8个输入端口，为方便辨识，分别编号为0-7号端口，每两路作为一个信号的采集端，ADAM-4118模块5的2-3端口接草地的SI-111红外温度传感器；ADAM-4118模块5可以将采集到的模拟信号转换为RS485信号，ADAM-4118模块5再与RS485转RS232模块7连接，RS485转RS232模块7通过信号线与PC的RS232串口连接，Pt100铂电阻温度传感器4采用四线制，与Zigbee温度采集模块6连接，并将测得电阻值通过无线发送给Zigbee无线协调器6，Zigbee无线协调器6再通过串口与PC相连；Zigbee温度采集模块6主处理器的型号为CC2530，Zigbee采用Z-Stack协议栈进行无线传输，Zigbee温度采集模块6与Zigbee无线协调器8相连，完成信号的采集与传输。

实施例3

将底部焊接有基座1的T形支架2安放在水泥地面上，并在T形支架2的横支杆上安装一个SI-111红外温度传感器3，保持SI-111红外温度传感器3的测温探头垂直朝下，横支杆下侧的草地上安装一个Pt100铂电阻温度传感器4，其中，SI-111红外温度传感器型号是SI-111-6550红外温度传感器3，Pt100铂电阻温度传感器4与实施例1相同，SI-111红外温度传感器3的红色与黑色引线分别接ADAM-4118模块5差分通道的正极与负极；绿色引线接ADAM-4118模块5单端通道的正极，蓝色引线与负极相连并接地，RS485转RS232模块7的型号为SP339；ADAM-4118模块5有8个输入端口，为方便辨识，分别编号为0-7号端口，每两路作为一个信号的采集端，ADAM-4118模块5的4-5端口接水泥地的SI-111红外温度传感器；ADAM-4118模块5可以将采集到的模拟信号转换为RS485信号，ADAM-4118模块5再与RS485转RS232模块7连接，RS485转RS232模块7通过信号线与PC的RS232串口连接，Pt100铂电阻温度传感器4采用四线制，与Zigbee温度采集模块6连接，并将测得电阻值通过无线发送给Zigbee无线协调器8，Zigbee无线协调器8再通过串口与PC9上位机相连；Zigbee温度采集模块6主处理器的型号为CC2530，Zigbee采用Z-Stack协议栈进行无线传输，Zigbee温度采集模块6与Zigbee无线协调器8相连，完成信号的采集与传输。

整个系统还可以使用太阳能供电，实施例1-实施例3中的4支红外温度传感器SI-111连接到同一亚当模块数据采集器ADAM-4118模块5。再将3个铂电阻温度传感器4分别连接到三块Zigbee温度采集模块6。最后通过无线收发的方式使数据采集器及Zigbee温度采集模块与上位机(PC)相连，获取数据，再通过软件的运算处理最后得到温度值。

上述试验系统选用的SI-111是美国Apogee公司生产的一款红外温度传感器，它能够连续地观测监测点的温度情况，用以测量物体的表面温度如土壤、雪面、水体等。利用物体表面发出的红外辐射能量，反演物体温度，SI-111传感器红外通道范围为8～14um。

测温系统所用每个SI-111红外传感器使用2.5V激励，且均占用ADAM-4118模块的一路差分通道及一路单端通道，其中红色与黑色导线分别连接差分通道的正极与负极；绿色导线接单端通道的正极，蓝色导线与负极相连，并接地。

ADAM-4118可以将采集到的模拟信号转换为RS-485信号，然后传输至PC端，一般电脑均配置有RS-232接口，所以可以利用RS485转RS232模块连接ADAM-4118模块，再将其连接至上位机(PC)，进行信号的采集与传输。

铂电阻温度传感器测得的阻值是通过Zigbee温度采集模块无线传送至上位机(PC)的，并用串口助手接收并存储。本实验中把SI-111红外温度传感器测得的电压信号用的C#上位机软件进行处理得到温度数据，此软件程序为公知公用的程序，其依据的计算方法详见美国Apogee公司的《SI-111红外温度传感器用户手册》(INFRARED RADIOMETER OWNER’S MANUAL，Apogee Instruments,Inc.,2016)第12-14页。

以2017年5月，某台站观测的红外遥感地表亮温的修正值、空气温度、太阳辐射值，验证结果如下表：

表1各下垫面神经网络红外反演地表温度与铂电阻温度(℃)对比

地基红外遥感地表温度的原始采样数据时间分辨率达到1s，数据缺测率小于2％。试验结果表明红外遥感对地表温度的测量基本能达到目前气象要素测量的要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。