自动悬停的MEMS探空气球及实时自然气象采集系统的制作方法

自动悬停的mems探空气球及实时自然气象采集系统
技术领域
1.本发明涉及高空探测技术领域，尤其涉及一种自动悬停的mems探空气球及实时自然气象采集系统。


背景技术：

2.探空仪是指测量天空不同高度上的大气物理参数，以确定气象要素的垂直分布面施放的仪器；这种测量是通过无线信道遥测来完成的，所以又称无线电探空仪。由通信信道联结的无线电探空仪和地面接收处理设备构成探空系统，也叫大气探测系统，探空仪按用途可分为通用类和专用类；有电码式探空仪，电子式探空仪、炮兵专用探空仪、低空探空仪等；现代无线电探空仪器包里的温度传感器，有热敏电限、电容传感器、电阻丝、双金属元件或热电偶。
3.现有技术中，探空仪通常采用气球升空的方式进行高空探测，这种方式存在无法高空悬停和远程控制问题，同时探空仪还存在一次性使用无法回收的问题；申请号为201710011835.0的一份专利申请文件中公开了一种探空气球及高孔气象探测系统，该申请中为解决探空气球无法重复使用，也无法实现远程控制、实时调整探空气球所处的高度的问题，设置气囊和重料囊，同时配合传感器实现探空气球的高度调节和远程控制功能，这种方式虽然能够解决现有技术中的问题，但是探空仪在高空中仍然存在低温环境电子元件无法运作和传感器无法准确测量的问题亟待解决。


技术实现要素：

4.针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种自动悬停的mems探空气球及实时自然气象采集系统，通过设置自动气压调节机构，实现在高空平衡气囊内外部的气压实现探空气球的高空悬停功能，同时设置热敏电阻材料的可加热基板，使电子元件在高空的低温环境下保持工作温度，实现精准的气象信息采集。
5.为实现上述目的，本发明提供一种自动悬停的mems探空气球，包括：气囊和基座，所述气囊安装于所述基座上，所述基座设有自动气压调节机构和主控制板，所述自动气压调节机构与所述主控制板电连接；所述自动气压调节机构包括用于平衡气囊内外气压的气体控制组件和压力传感器，所述压力传感器包括用于测气囊内腔压力的的内压传感器和用于测气囊外部压力的外压传感器；所述主控制板的基板采用热敏电阻材料，所述基板上焊装有用于加热基板的加热电极。
6.具体的，所述基板还表面制备有测温电极，所述测温电极制备在所述基板中心位置，所述测温电极与所述基板之间采用带有导电电极的非导热材料制成的导电带相连。
7.作为优选，所述基板为ptc陶瓷基板或ntc陶瓷基板；所述加热电极制备在所述基板的两侧端部位置，所述加热电极连接至供热电源。
8.具体的，所述气体控制组件包括气体发生储存器、进气管和排气管，所述进气管一端与所述气体发生储存器，另一端连通至所述气囊内腔；所述排气管一端连通至所述气囊
内腔，另一端连通至所述气囊外部，所述排气管内设有单向阀；所述气体发生器为压缩储气瓶，所述压缩储气瓶内填充压缩的惰性气体。
9.具体的，所述内压传感器和所述外压传感器紧靠在一起焊装形成对偶式传感器单元，所述对偶式传感器单元的内压传感器通过第一引压管连通至所述气囊内腔，外压传感器通过第二引压管连通至所述气囊外部。
10.作为优选，所述内压传感器和所述外压传感器为性能完全相同元器件，所述内压传感器和所述外压传感器内封装有相同的参考压力值。
11.具体的，所述基板还焊装有多个第二传感器，所述第二传感器为通过mems技术制成的温度传感器、湿度传感器、压力传感器、紫外线传感器、雷暴传感器、二氧化硫传感器、二氧化碳传感器、以及运动速度和姿态控制的传感器中的一种或多种。
12.作为优选，多个所述第二传感器通过金属丝导线、金属薄膜、非金属导电电极以及过孔性金属材料焊装于所述基板上。
13.具体的，在所述基座底部设有三个不同焦距的折叠式望远镜，用于观测三种不同距离的目标；所述折叠式望远镜采用三角形排法；在三个折射式望远镜交会的中心位置，设有一长焦望远镜，用于观测从地面起10至1万米距离的目标。
14.一种实时自然气象采集系统，包括地面信息采集装置以及所述的自动悬停的mems探空气球，所述自动悬停的mems探空气球还包括无线通讯模块，所述自动悬停的mems探空气球通过所述无线通讯模块与所述地面信息采集装置信号连接。
15.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的一种自动悬停的mems探空气球及实时自然气象采集系统，包括：气囊和基座，气囊安装于基座上，基座设有自动气压调节机构和主控制板，自动气压调节机构与主控制板电连接；自动气压调节机构包括用于平衡气囊内外气压的气体控制组件和压力传感器，压力传感器包括用于测气囊内腔压力的的内压传感器和用于测气囊外部压力的外压传感器；主控制板的基板采用热敏电阻材料，基板上焊装有用于加热基板的加热电极；通过设置自动气压调节机构，实现在高空平衡气囊内外部的气压实现探空气球的高空悬停功能，同时设置热敏电阻材料的可加热基板，使电子元件在高空的低温环境下保持工作温度，实现精准的气象信息采集。
附图说明
16.图1为本发明的三维视图；图2为本发明的气囊内部剖视图；图3为本发明的基座内部俯视图；图4为本发明的基座内部仰视图。
17.主要元件符号说明如下：1、气囊；2、基座；3、第二引压管；4、排气管；5、气体控制组件；51、进气管；53、单向阀；6、气体发生器；7、主控制板；71、测温电极；72、加热电极；73、紫外线传感器；74、压力传感器；75、温度传感器；76、湿度传感器；77、雷暴传感器；8、第一引压管；9、折叠式望远镜；91、长焦望远镜；10、喷嘴。
具体实施方式
18.为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
19.在下文描述中，给出了普选实例细节以便提供对本发明更为深入的理解。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。应当理解所述具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件或它们的组合。
21.现有技术中，探空仪通常采用气球升空的方式进行高空探测，这种方式存在无法高空悬停和远程控制问题，同时探空仪还存在一次性使用无法回收的问题；市场虽然已经出现了通过设置气囊1和重料囊，同时配合传感器实现探空气球的高度调节和远程控制功能，用于解决探空气球无法实现远程控制、实时调整探空气球所处的高度的问题，但是这种方式实施的探空仪在高空中仍然存在低温环境电子元件无法运作和传感器无法准确测量的问题亟待解决。
22.为解决现有技术中的缺陷和不足，本发明具体的提供一种自动悬停的mems探空气球及实时自然气象采集系统，请参阅图1-图4，一种自动悬停的mems探空气球，包括：气囊1和基座2，气囊1安装于基座2上，基座2设有自动气压调节机构和主控制板7，自动气压调节机构与主控制板7电连接；自动气压调节机构包括用于平衡气囊1内外气压的气体控制组件5和压力传感器74，压力传感器74包括用于测气囊1内腔压力的内压传感器和用于测气囊1外部压力的外压传感器；主控制板7的基板采用热敏电阻材料，基板上焊装有用于加热基板的加热电极72；由于本装置开始工作是在大气层内，通过传感器观测大气层内的气象温、湿、压；用来判断，高空成雨、雷暴、气旋的现象；飞行高度主要是从地面到平流层底部的气象参数变化；而本装置的飞行的轨迹，主要是从地面到平流层中部的飞行过程中；为了获取所有飞经的路线的温度变化，必须耐受从地面温度到高空的短时间内的温度巨变；及地面平均温度在25 ℃，而达到平流层中下部时，温度最低接近-90℃；因此，本系统中所有传感器和电子元器件，都要经受这样温度环境的持续冲击；本气象探空仪的观测高度由搭载气球中充压确定，飞行高度通常小于3.5万米（气球爆炸），因载荷中电池原因最长工作时间不超过2.5小时。在气囊1飞行的过程中，压力传感器74用于测气囊1内腔压力的内压传感器和用于测气囊1外部压力的外压传感器会不断的收集来自气囊1内腔的气压值和来自气囊1外部的气压值并进行比对，根据气球悬停的高度，通过气压调节机构会将气囊1内腔的气压值调整至与外界大气气压平衡的值，此时气球就会自动悬浮在空中，及实现气囊1在空中的悬停；当气球中的压力高于飞行高度压力时，气球会继续升高，由于气球的升高外界气温也会随之下降，及随着高度的提升温度会不断下降的，当温度过低（超过-45℃）时，绝大部分电子元器件都会过低的温度而失效，如果此时能够对产品中基板上电子元器件进行加热，使产品基板的工作温度升至电子元器容许的工作温度，则本产品的性能就能得到保证，本技术在所有基板中设置了加热装置，采用的方法是使用热敏电阻材料的基板，能够通过加热电极72的加热从而使整个基板达到工作温度，同时由于基板采用热敏电阻材料，温度的升高并不会影响元器件的工作，从而保证整个装置在高空低温环境下的正常运转，提高探测的
精准度。
23.本技术设置的气囊1，由于气囊1的作用，在本系统从地面起飞后，随着气囊1内外压差的作用，气囊1随及上升，由地面升至空中，在气球内外压的作用下，气囊1膨胀不断上升；为在特定区域能够较稳定的对地观测，光学和调焦系统的跟随性有一定的时间滞后。为了更好的实现稳定且精准的气象信息采集以及对地观测，这就需要气囊1能在一定高度停留一段时间；由于地面随时需要气囊1在不同高度和不同空区域随时停留，以便很细致且精准的采集气象信息以及观测地面、海面目标；因此，随时在任意空域进行停留，是本装置的一个突出特征。
24.在本实施例中提及：基板还焊装有测温电极71，测温电极71焊装于基板中心位置，加热电极72焊装于基板的两侧端部位置，加热电极72连接至供热电源；测温电极71设置于整个基板的最中心位置，而加热电极72设置于基板的边沿位置，如此一来由于热的传导中间位置是最后传导到的地方，故若中心位置达到了工作温度，则能够保证整个基板都达到了的工作温度，供热电源连接至加热电极72能使加热电极72持续的产生热量，供热电源优选的采用能够持续供电2.5h以上的可变流电源。
25.在一个优选的实施例中提及：基板为ptc陶瓷基板或ntc陶瓷基板；ptc陶瓷发热体又叫ptc加热器，采用ptc陶瓷发热元件与铝管组成；该类型ptc发热体有热阻小、换热效率高的优点，是一种自动恒温、省电的电加热器。突出特点在于安全性能上，任何应用情况下均不会产生如电热管类加热器的表面“发红”现象；ptc陶瓷基板升温迅速、遇故障时能自控温度、使用寿命长；ntc是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料;该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数的热敏电阻。其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化。现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系ntc热敏电阻材料；采用ptc陶瓷基板或ntc陶瓷基板能够保证即使基板温度升高，也不影响其正常的工作。
26.在本实施例中提及：对探空气球中气体控制组件5包括气体发生器6、进气管51和排气管4，进气管51一端与气体发生器6连接，另一端连通至气囊1内腔；排气管4一端连通至气囊1内腔，另一端连通至气囊1外部，排气管4内设有单向阀53；气体发生器6内储存有用于调节气囊1内部气压的气体，进气管51一端与气体发生器6连接，另一端连通至气囊1内腔，这样气体发生器6产生的气体能够通过排气管4直接送至气囊1内腔；而排气管4连通至气囊1内腔主要用于将气囊1内腔的气体排出气囊1以平衡气囊1内气压，在排气管4内设置单向阀53的目的在于，通过压力传感器和mcu双重控制保证排气管4只用于气体的排出，避免在气阀打开时由于气压差导致气体内流导致气囊1内气压差过大导致破裂爆炸。
27.优选的，气体发生器通过控制气管还连接至多路姿态控制阀，多路姿态控制阀连接有三个不同方向的喷嘴10至基座外部，通过从不同喷嘴10排出气体实现气球姿态的调整。
28.在一个优选的实施例中提及：气体发生器6为压缩储气瓶，压缩储气瓶内填充压缩的惰性气体；压缩储气瓶内的惰性气体是以压缩形态储存于瓶内，这样能够最大化缩小气瓶的体积和重量，避免气瓶过重，优选的气瓶还采用铝合金或者钛合金作为制造材料，铝合金以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金，是轻金属材料之一，采用铝镁合金也是一
种较好的办法，它有较高的强度，比强度接近高合金钢，比刚度超过钢，有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性，可作结构材料使用，在航天、航空、交通运输、建筑、机电、轻化和日用品中有着广泛的应用；钛合金具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，钛合金的密度一般在4.51g/cm3左右，仅为钢的60%，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件；在一个已经实施的实例中，压缩储气瓶的瓶体采用铝合金作为材料；惰性气体由于其本身的密度较低，适用于用作气囊1填充飞升的原料，可选的可以为氢气、氦气和氮气，在本技术一个已经实施的实例中优选氦气作为气囊1的填充气体；氮气很稳定，做成的气球具有更好的安全性与稳定性，做成的气球较轻，效率较高。
29.在本实施例中提及：内压传感器和外压传感器紧靠在一起焊装形成对偶式传感器单元，对偶式传感器单元的内压传感器通过第一引压管8连通至气囊1内腔，外压传感器通过第二引压管3连通至气囊1外部；mems的中文含义是微机械电子系统，这种制造技术，选用性能完全一致特别是温度系数完全一致的压力传感器；这不仅提高了产品性能的一致性，而且大大降低了产品的成本；这是产品性能的底层问题，保证了所有探空仪性能的一致性；本装置为实现对气球内外部的对压力精确的测量，将原来由两个压力传感器74分别完成的任务，在传感器的芯片结构上，设计了两个紧靠在一起的对偶形式的芯片结构；具体的在生产过程中，将两压力传感器74设计为一个单元；也就是说，在一个单元内，能够拥有有两个温度特性完全一样的压力芯片，从而有效的保证了两个传感器芯片同时工作的一致性和精准度。
30.在大圆片制作完成后，即使分离成一个个小单元，每个单元上也有两完全相同的压力传感器74单元。由于采用的是绝压式压力传感器74，只要有两个引入的被测压力口即可。
31.在一个优选的实施例中提及：内压传感器和外压传感器采用同片或同炉同工艺制造成型，内压传感器和外压传感器内封装有相同的参考压力值；采用同片或同炉同工艺制造成型的芯片，两个传感器芯片外特性方面具有完全相同的指标；该指标的实现，就像音频对功放管一样；同样的参考压力下能够保证内压传感器和外压传感器两个传感器的参考标准是一致的。
32.在本实施例中提及：基板还焊装有多个第二传感器，第二传感器为温度传感器75、湿度传感器76、紫外线传感器73和雷暴传感器77中的一种或多种；由于本装置开始工作是在大气层内，通过传感器观测大气层内的气象温度、湿度、气压，用来判断，高空成雨、雷暴、气旋的现象；飞行高度主要是从地面到平流层底部的气象参数变化；而本装置的飞行的轨迹，主要是从地面到平流层中部的飞行过程中。为了获取所有飞经的路线的温度变化。
33.实施例1：其中，温湿度传感器76具体的在氮化铝表面制作的湿度、温度合一的传感单元，并且通过采用聚酰亚胺电连接连接器连接至采用氮化铝、氧化铝或pcb制作的所有电子线路（含加热器）的基板，实现测量控制与收发功能；采用超薄氮化铝做衬底，对温度相应比氧化铝的热传导速度快三倍，在表面制作铂电阻响应速度应该快三倍，在氮化铝表面制作湿敏电阻或湿敏电容，同样结构、同样材料构成的器件，它们对温度和湿度的响应速度也比氧化铝材料的快三倍；
导线的表皮为聚酰亚胺结构层。聚酰亚胺材质的综合性能在有机高分子材料中非常好，其耐高温可以达到400℃以上，且低温环境也可以达到-200℃；并且也具有很好的生物相容性；因此能够在为包覆材料使用；那么在焊接了连接线和焊盘以后，为了保证结构稳定性，且焊点不发生离子迁移；实施例2：采用硅做基底，利用mems工艺在表面制出多种物理量第二传感器，在硅或氧化铝表面通过真空等离子工艺，形成一层二氧化硅层；再利用压力、高直流电压在真空条件下，将表面的多种硅传感器键合到硅衬底或三氧化二铝表面上。
34.在一个优选的实施例中提及：多个所述第二传感器通过金属丝导线、金属薄膜、非金属导电电极以及过孔性金属材料焊装于所述基板上；采用金焊点对该连接位置进行焊接，具体的焊接方式采用超声热压焊。
35.实施例3：采用低温玻璃粉在引线端子和焊盘的连接点上形成低温玻璃烧结层；形成低温玻璃烧结层覆盖焊点并填充焊点之间的间隙；无定型低温玻璃粉完全包裹住焊点，能够保证焊点的结构稳定性，同时还能够防止焊点在使用过程中意外发生电化学反应从而发生离子迁移，因此低温玻璃结构层可以起到封堵作用；在低温玻璃结构层不会导电，也不存在极性，因为可以在各种环境下稳定使用，同时与低温玻璃料具有良好的结合稳定性，因此也能够防止低温玻璃烧结层出现的磨损颗粒掉落；因此整体结构呈现良好的结构稳定性。根据这种封装方式进行的结构，能够在宽温度范围下——-55至350℃不变形且性能良好。
36.一种实时自然气象采集系统，包括地面信息采集装置以及的自动悬停的mems探空气球，自动悬停的mems探空气球还包括无线通讯模块，自动悬停的mems探空气球通过无线通讯模块与地面信息采集装置信号连接。
37.优选的，本系统还包括对地观测的光学系统，这使本装置的整个飞行过程中，空中滞留时间远长于现有气象探空仪。本装置的在高空和平流层中下半部，滞留时间要达到8个小时以上。光学观测系统是由可见光和红外两部分光学敏感单元构成。可见光敏感单元是由普通光学(成像敏感元件）ccd和相应的光学调焦机构和滤镜等。红外光学敏感单元是以红外ccd和调焦机构以及滤镜等构成。本装置的光学镜头，是超长焦聚的望远镜头，焦聚在1km以上。为实现超长焦聚的可调焦聚镜头。在本系统中，不能使镜头中光路处于垂直结构。
38.优选的，请参阅图4；在基座底部设有三个不同焦距的折叠式望远镜9，用于观测三种不同距离的目标；折叠式望远镜9采用三角形排法；三个折射式望远镜中央为普通长焦望远镜头，所有成像的ccd单元均封装在真空密封的腔体内；因镜头重量较大，外壳材料均采用轻质高强材料，等效质心紧紧靠近垂直中心，壁面风吹带来的摇摆问题。本发明采用折射原理，使图像两次反射后在到达ccd面上的图像。这样使镜头的体积、重量都大大减小，制造成本迅速降低。本专利考虑高空温中巨变的问题，所用的普通镜头采用定焦镜头，减小调焦的困难，焦距设为f/11，至无穷，总曝光量通过设定快门速来实现。由于是对地观测，除白天外，还要考虑夜晚状态。这种结构中的镜片较少，容许较多的红外成分通过。
39.本发明提供的方案还具备以下关键点：1、本装置为实现对气囊1的压力值精确测量，将原来由两个压力传感器74完成的任务，制作在同一传感器的芯片上，设计了两个紧靠在一起完全对称的对偶形式的芯片。及将两压力传感器74芯片设计在同一单元内；在同一个单元内，有两个完全一样的压力芯片；
在制作压力传感器的硅片中，制作若干个分立的独立单元，每个单元上有两完全相同的压力传感器74单元；因为优选采用的是绝压式压力传感器74，只要有两个引入压力的被测压力管道即可；而参考压力，已经在芯片的制造过程中，已经封装在芯片本身载体中。
40.这样在气囊1的气体进出口处，芯片上的一个口，与气囊1的内腔压力相通。另一个芯片的引压孔，与气囊1外的大气相通；从而准确的感知气囊1内外部和外部的压力差。
41.2、“气囊1内外压力调节机构”在气囊1下端基座2处，设置了一个气球内外压力调节调节机构。
42.压力调节调节机构的特征是：在基座2处，附带一个压缩气瓶，它是用于供气球内补充压力来源，在补充压力作用下气球体会膨胀，产生向上的升力。为使球体能在空中，产生上下和静止状态，需要对球体内压力进行调节，达到不同状态内外压的指定数值或平衡状态。该压力调节装置除有对偶形式的芯片及封装形式外，还需要与之配合的控制结构。
43.本控制结构如下所述。
44.3、用ptc陶瓷基板或ntc陶瓷基板作为本装置电路的基板，并在该基板上设计了必要的加热电极72。通过铜和表面带有金薄膜的导电电极以及过孔，实现设计所有传感器或者电子元器件的焊装。
45.在ntc基板上设有两对电极，其中一对是测温度电极；该电极设定在基板的中心位置。另一对电极，设计在基板的两端。两端电极是用于对ptc进行加热。这样结构及保证了测温功能的实现，又保证了加温功能的不变。及ntc基板在低于给定温度时，测温电极71先行获得温度的变化，启动另一对加热电极72对系统加热。当温度，高于规定值时，ntc就停止加热。
46.本发明的优势在于：1. 通过设置自动气压调节机构，实现在高空平衡气囊内外部的气压实现探空气球的高空悬停功能。
47.2. 设置热敏电阻材料的可加热基板，使电子元件在高空的低温环境下保持工作温度，实现精准的气象信息采集。
48.以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。