陈金龙 陈锦绣 陆根娣（马鞍山市气象局 243000）
提 要 电子测量仪器使用范围很广，在气象部门，目前广泛使用ZQZ-CⅡ型地面气象综合有线遥测仪，气象观测员对他的使用很熟悉，但是对电子测量仪器的使用原理和关键技术的了解可能不多，下面笔者结合ZQZ-CⅡ型地面气象综合有线遥测仪对电子测量仪器的原理作详细介绍。
关键词 电子测量仪器 ZQZ-CⅡ型地面气象综合有线遥测仪 信号处理 关键技术 未来仪器发展
1 ZQZ-CⅡ型地面气象综合有线遥测仪的介绍
地面气象综合有线遥测系统由遥测仪硬件（传感器、数据采集器、计算机）和软件（测报业务软件）组成，是适合于气象部门观测需要的自动气象站，专门用于气象数据的自动采集、计算处理和存储，它采用人机结合方式实现自动观测，编制各类气象报文，打印各种气象观测报表。
该系统主要由三部分组成：①室外传感器部分②室内数据采集器③数据处理主机部分。
1.1 传感器及其工作原理
在现代气象观测中，气象传感器就是将气象观测项目的物理变化量通过电子感应元件转换成各种国际标准的电子信号，如模拟量、数字量、频率量、开关量等电子信号，并辅助相应的转换规律公式，自动地把物理观测量转换为气象观测数据。
而传感器基本上分为两大类：①智能传感器：其原理为将感应到的物理变化量通过电子变换的公式运算通过CPU处理直接处理成气象观测要素。其特点是可互换性好，可独立使用，但造价较高，如能见度、云高仪等传感器。②非智能传感器：其原理为将感应到的物理变化量通过电子变换转换成各种标准电信号输出。必须有数据采集器才能将其转换成气象观测要素。其特点为造价低，可靠性高，相对简单，目前我们常用的气象观测都是此类传感器。目前我们使用的ZQZ-CⅡ型地面气象综合有线遥测仪共使用气压、气温、湿度、风向、风速、降水量、低温等7个传感器，其工作原理如下：
（1）风向传感器：感应器是单板机风标、角度变换采用七位格雷码光电码盘，由于光码盘的每一位上面装有发光二极管，在风向变化时，通过主轴带动码盘旋转，每转动2.8125°,装在码盘下面的光敏三极管就处于导通或截止状态，不论在任何方向，都可产生一组新的七位并行格雷码，经整形、倒相后输出，从而得到相应的风向。
（2）风速传感器：传感器采用三杯感应器，当风杯转动时，通过主轴带动多齿转盘旋转，使下面光敏三极管接收上面发光二极管照射下来的光线，处于导通或截止状态，形成与风杯转速成正比的频率信号，通过计数器计数，换算后得到实际风速值。
（3）温度传感器：采用铂电阻作传感器元件，铂电阻采集到环境温度后，通过采集器进行A/D转换，通过串口RS-232C数据处理机，输出到显示窗口。
（4）雨量传感器：采用翻斗式遥测雨量翻天覆地动感应器，测量液体降水，雨水由盛水口汇集进入翻斗，当水量达到一定数量时，上翻斗翻动，雨水注入计量翻斗，利用计量翻斗的翻动，干簧管开始工作，向采集器发送脉冲信号，每一个脉冲相当于0.1mm的降水，采集器利用脉冲计数发送实时数据。
（5）气压传感器：感应元件是用高导磁率、高弹性的金属制成薄壁圆筒。一端封闭，另一端固定在基座上。振动筒的外侧是用保护筒构成的真空腔；内侧与自由大气相通，并有两个线圈骨架，分别装上激振线圈和拾振线圈。观测时，接上电源后，激振线圈和振动筒相互作用下产生固有振动频率。此频率随气压的增大而升高，拾振线圈检测振动频率的变化，从而指示气压的变化。这种感应元件测压精度高，其输出是电参量（频率或周期），便于对气压实行遥测。
（6）湿度传感器：该传感器由感应元件部分、电子线路部分和外屏蔽罩及相关配套部件组成。它采用pt100光栅铂电阻和湿敏电容作为感应元件，并由内部的电子电路修正湿度感应信号。
1.2 数据采集器
数据采集器本身是一个单片机。单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机，它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/O)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。这种微型计算机因其制作在一块芯片上而被称为单片机。
单片机是大规模集成电路技术发展的产物。单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制（就是快速反应）方面的需要。因此，它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能。因此，单片机又常常被人称为微控制器（MCU或μC）。尽管单片机主要是为控制目的而设计的，它仍然具备通用PC机的全部特征。从前，必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念，随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展和日趋完善，而单片机的应用则必将更加深入、更加广泛。
而我们使用数据采集器主机是用来实时收集数据，并对从传感器收集来的数据进行处理、存贮。它包括A/D转换电路，计数电路和数字信号输入电路等。它们在微计算机（单片机）的CPU实时控制下，根据各个数据的不同采样间隔要求，完成对数据的的连续采集，并把所得数据交给运算处理器进行处理。
数据采集器主机箱采用新型仪表机箱，内部集成了接口和保护电路、键控显示电路和单片机数据采集器等几部分组成：
（1）接口和保护电路：由数据接口电路和通信接口电路组成，包括各个传感器接口、电源接口等，主要完成各传感器、电源与采集器的连接，并提供防感应雷击和电源过压保护。
（2）键控显示电路：有8位LED显示块和操作按键组成，有利于显示和查看日期、时间、风向、风速、温度、雨量等气象要素的实时数据。
（3）单片机数据采集器：由数据采集电路、数据处理电路和数据存贮电路组成。
1.3 数据处理计算机
数据处理终端由微机、打印机组成，系统软件为Windows标准界面，所有子站都直观的显示在地图中，并配备有各个气象要素曲线图、下拉菜单等，使用简便，操作灵活。系统软件还有采集数据的计算处理、计算参数的修正、报文的编辑、打印输出所需的各种实时与定时观测记录、各种气象报文、地面气象记录月报表及年报表。
1.4 日常维护和注意事项
⑴室外传感器安装前要关闭主机箱后面板上的电源开关。
⑵对数据采集器故障，采用CAWS-MN01传感器模拟器用来检查。
2 一般电子测量仪器的原理介绍
从上面我们介绍的ZQZ-CⅡ型地面气象综合有线遥测系统可知，一般电子测量仪器的基本原理。
一般电子测量仪器的技术基础是微电子技术、数字信号处理（DSP）技术和计算机技术。它的演变与发展从总体上看沿两条主线展开，一是从所采用的技术上看，经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器的发展过程；二是从仪器结构(可扩展性)和实现形式上看，经历了单台仪器、模块化仪器和虚拟仪器的发展过程。但无论仪器最终如何发展，任何一台仪器测量系统都包括下面三个功能模块：信号采集模块(包括传感器电路、信号调理电路)、信号分析与处理模块、结
果表达与输出模块。
针对不同的测量对象，测量仪器的传感器的形式也不同，但各传感器的作用都是相同的，即把自然界的模拟量（信号）转换成电信号(电压或电流)；信号变换和调理电路对来自传感器的电信号进行放大、衰减、变换(包括变频、检波等)、滤波以及调整到适合于模拟数字转化的状态。在可以预见的未来，各种传感器、放大器、变换器还是模拟器件，传感器是关键，它决定了仪器的应用范围；模拟数字转换器与信号变换调理电路共同决定仪器频带宽度和测量精度，当然模拟数字转换的作用更为关键。
信号处理部分的数字化、软件化是仪器发展的必然选择，也是虚拟仪器(VI)的发展基础。数字信号处理（DSP）技术的应用，大大拓展了仪器的功能，仪器功能大小更多地取决于仪器的数字信号处理能力。另外高速模拟数字转换器（ADC）也是决定未来测试仪器、特别是电子测试仪器发展方向的重要因素，目前高速ADC的采集带宽已开始进入微波波段。
信号数字处理的实现途径主要有两种：一种是基于数字信号处理器（DSP）的形式，一种是基于微处理器（或单片机）的形式。采用数字信号处理（DSP）或者是微处理器（MCU）结构要针对不同的测量对象而定。通常，DSP主要针对运算复杂，实时性要求高、但程序不太大，任务相对单一的场合：如频谱分析仪，信号分析仪等。微处理器主要针对运算复杂，需要大量的数据和程序存储器，实时性要求适中，需要对测量数据进行复杂的分析和处理的场合上：如逻辑分析仪，网络分析仪，生化分析仪等。
仪器在形式上不断翻新，从独立仪器、基于PC的卡式仪器、到基于VXI、CPCI、PXI模块化的虚拟仪器，层出不穷，但其关键技术都是相通的。目前制约我国仪器发展行业发展的关键技术，主要是对高速、高精度模拟数字转换器（A/D）、数字模拟转换器（D/A）、数字信号处理（DSP）技术开发能力不足。A/D、D/A、DSP即是电子仪器的关键技术，也是
通用技术，这几项技术在电子仪器中的应用，必然带动电子仪器的性能指标的突破。
3 电子测量仪器的最新发展方向
由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在这种背景下，二十世纪八十年代末美国研制成功虚拟仪器。虚似仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。它把信号的分析与处理、结果的表达与输出放到计算机上来完成，或在计算机上插上数据采集卡，把仪器的三个部分全部放到计算机上来实现。用软件在屏幕上生成仪器控制面板，用软件来进行信号分析和处理，完成多种多样的测试；通过计算机屏幕形象的各种形式表达输出检测结果。突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。虚拟仪器通常采用CPU结构。
而独立仪器把上述信号采集、信号处理、结果输出三部分放在一个独立的机箱。有操作面板、信号输入输出端口、还有各种通信接口等。检测结果输出方式有数字、指针式表头，图形窗口等，可能还有打印输出。这些功能块全部以硬件或固化软件的形式存在，这就决定了传统仪器只能由厂家来定义、制造，而用户无法改变。
4 结论
基于微处理器（MCU）技术和数字信号处理（DSP）技术的发展已经开始对传统测试仪器，包括现有的数字化仪器发展产生着深刻的影响，这种影响已经不仅仅是停留在简单的信号数字化方面，而是对传统测量方法、传统仪器的定义分类的深刻变革。 基于此，笔者在此挂一漏万，介绍一般电子测量仪器的原理和未来电子仪器的发展，以期能对广大气象工作者、观测员和读者有所帮助。
参考文献
1 上海市气象科学研究所,江苏省无线电科学研究所.ZQZ-CⅡ型地面气象综合有线遥测仪使用说明书.2000年.
2 《AHDM4.1》应用手册.气象出版社，2000年.
