微温脉动仪系统的研究
摘 要：为评价云南天文台抚仙湖太阳望远镜的圆顶视宁度,研制了一种能测量常温、微温脉动的仪器。在天文建筑物附近安放两个微温传感器，可以测量影响天文观测的湍流强度的分布情况。介绍了微温脉动仪器的工作原理，硬件设计，软件设计以及仪器的测试。测试结果表明，该微温测量结果达到了多个传感器响应时间快与同步测量要求，并且微温脉动测量达到约0.01 ℃的分辨率，常温测量达到0.1 ℃精度。
关键词：微温脉动仪； 频率测量； 圆顶视宁度； 湍流强度
中图分类号：
TN966-34
文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2012)05
-0128
-03
Research on microthermal measurement
LI Xue-bao, ZHENG Yan-fang, XU Guang, LI Zhi
(National Astronomical Observatories/Yunnan Observatory, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China)
Abstract：
For evaluating the dome seeing of the solar telescope at Fuxian Lake of the Yunnan Observatory, an instrument was designed to measure the normal temperature and microthermal fluctuations. In the vicinity of the astronomical building, two microthermal sensors were set up to measure atmospheric fluctuations in the surface layer. The overall structure of the system and the working principle of the microthermal sensor are presented. The hardware design and the software design of the system are introduced. In the end, the microthermal measurement has been carried on at Fuxian Solar Observatory (FSO). It is proved that the instrument reaches the temperature resolution of~for the microthermal fluctuations and accuracy offor ambient temperature.
Keywords： microthermal instrument; frequency measurement; dome seeing; turbulence intensity
收稿日期：2011-10-26
基金项目：国家自然科学基金资助面上项目(10873034)
0 引 言
大气视宁度影响天文观测的分辨率，为了获得更好的成像质量,通常需要通过天文选址,将天文观测设备放在大气视宁度较好的站点。若天文建筑设计不当,圆顶视宁度造成的像质衰减影响可能会比整层大气视宁度的影响还要严重,也就无法体现出好的天文台址和望远镜的效力。云南天文台抚仙湖太阳望远镜的圆顶在设计时采取了许多措施来减少圆顶视宁度的影响,包括将圆顶设计成开发式、在圆顶附近安装水循环系统、在望远镜附近安装风障板等。为了综合考虑这些措施的效果,需要能够测量圆顶内不同位置大气湍流的强度,得到温度结构常数C2T以及折射率结构常数C2N的强度和分布情况。
大气湍流的强度可以通过目视观测衍射环、恒星闪烁、较差像运动测量仪(DIMM)、声雷达等方法来测量［1］,但以上方法反映的是整层或高层大气的湍流情况。对于近地面湍流,主要通过直接测量大气的微温脉动得到湍流强度。微温脉动测量的常用手段是金属丝微温脉动仪和超声风温仪。前者常用铂丝作为传感器,具有响应速度快、线性度好、分辨率高、体积小、易损坏等特点。超声风温仪频率响应快,工作稳定,不易损坏,但容易受水平风速和湿度影响,且价格较高［2］。考虑到测量装置最终要放置在圆顶附近以及成本控制, 决定采用金属丝的微温脉动仪。目前国内有安徽光学精密机械和北京大学研制过类似的仪器。
1 仪器的工作原理［3］
采用微温脉动仪来测量湍流强度，其依据是Kolmogrov的湍流各项同性假设。当大气中两点之间的距离位于大气湍流的惯性区时,其温度结构函数满足如下:
DT(r,h)=C2T(h)r2/3
式中:CT(h)为温度结构系数(单位：K2m2/3);r为空间两点水平距离(单位：m)。空间两点的温度结构函数为：
DT(r,h)=<［T(P1)－T(P2)］2>
式中：T(P1)和T(P2)分别为空间两点相距为r的温度(单位:K)。由上面的两个式子可以得出:
C2T(h)=<［T(P1)－T(P2)］2>r3/2
在光学波段，折射率结构常数和温度结构常数的关系可表示为:
C2N(h)=80×10－6×P(h)T2(h)2C2T(h)
式中:P，T分别是空间测量点的气压(单位：hPa)和绝对温度(单位：K)。根据上面的公式，通过测量空间两点的温度差值(微温脉动)、气压和平均温度，可以得出折射率结构常数。在圆顶附近不同高度，放置几组微温脉动仪，同时进行微温脉动的测量，然后对折射率结构常数在光路上积分，最终可以得到圆顶附近的近地面视宁度r0［4-6］。
2 仪器硬件与软件设计
2.1 仪器硬件设计
微温脉动仪系统主要由微温探测器、惠斯通电桥、仪表放大电路、低通滤波电路、 V/F转换电路、 数据采
集与通信电路组成。微温脉动仪系统结构如图1所示。
微温脉动仪系统具体电路图如图2所示。
微温探测器采用直径为20 μm的铂丝，长约20 cm，电阻值约为200 Ω，将微温控制器与三个固定电阻组成惠斯通电桥。由于温度的脉动影响，微温探测器阻值发生变化，导致电桥的电压信号也相应改变。为了减少噪声影响以及对微弱的信号放大，这里选用仪表放大器INA122。信号经过放大后，通过低通滤波电路，抵制高频干扰信号。通过放大和滤波后电压信号，对它进行LM331 V/F转换，将其转换成数字频率信号。选用高端PIC18F452单片机作为数据采集单元，PC通过RS 485接口与PIC18F452进行串行通信，控制单片机进行采集，单片机将采集到的数据存储到SD卡［7-8］。
2.2 仪器软件设计［9］
由于V/F转换出来为数字频率信号，所以采用PIC18F452单片机CCP频率捕捉模块进行采集。仪器软件设计部分的主要功能就是设置相关的功能模块来配合硬件实现频率的采集与数据存储，为了达到实时采集的目的，CCP模块使用中断方式进行捕捉。微温脉动仪与PC机采用主从式通信，PIC18F452根据PC机发来的不同指令进行相关的操作，指令共有两种开始采集和停止采集。当接收到开始采集命令时，PIC18F452就启动CCP模块进行频率的测量并把测量结果存储到SD卡里；当接收到停止采集的命令时，PIC18F452就关闭CCP模块，同时停止数据存储，然后继续等待上位机的命令。微温脉动仪的软件设计部分流程图如图3所示。
3 仪器测试
微温脉动仪研制完后，需要对它进行定标。对于常温下的AD590M传感器,在黄铜块上钻一些小孔, 把AD590M常温温度传感器放在里面。传感器的外壳采
用导热硅胶连接, 以便更好地传热。传感器外部封闭,将黄铜块放到冰水混合物里,测量此时的读数。然后将黄铜块放到一个装满热水的保温瓶里,得出在热水中的传感器的温度。通过计算,可得到不同输出电压对应的温度值。然后再利用定标后好的AD590M，对微温脉动仪进行定标。把它们放到密封的环境下，记录不同温度下的微温脉动仪测量的频率值。
对2个微温脉动进行编号，1号与2号，并在抚仙湖太阳观测站圆顶上进行了测试。仪器连续采样一定个数的数据, 并将采集到的数据存储在SD卡中。隔一段时间后进行下一次的数据采集。经过测试,仪器能够实现连续的自动观测和数据采集。图4给出了放置在圆顶附近两个微温脉动仪的一组数据(2011-8-8在抚仙湖太阳塔测试的数据)。横坐标表示连续采集500个数据, 采样间隔为500 ms。
图4(a)为1号微温脉动仪测量的数据，图4(b)为2号微温脉动仪测量的数据，图4(c)为两个微温脉动仪测得的数据相差值，图4(d)为AD590M常温温度传感器测量的温度数据，温度值为经过定标以后的值。这两个微温探测器被悬挂于圆顶附近,高度距圆顶地面约2 m,水平间距为1 m。如图4所示，1号与2号微温脉动仪在同时测量中，可以实时同步跟踪微温的变化，而且经过测定，AD590电路测温精度约为0.1 ℃，微温脉动仪测温分辨率约为0.01 ℃。
4 结 语
本套仪器调试成功后,将会根据运行的实际情况对它进行不断完善，以及制造多个温度脉动仪，进行不同高度多点同时实测。并在其他天文站点进行布置,结合较差像运动测量仪,通过对两者的观测数据对比研究, 将为研究天文建筑对视宁度的影响提供有效的工具。
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