（海伦市气象局 黑龙江绥化 152300）
摘要：当今时代，气象服务对人们对生产生活的影响已经不言而喻，自动气象站作为店面观测的重要组成部分，其中蕴含着许多中学物理化学知识。作为中学生，除了学习书本知识以外，也应把书本知识与实际相结合，本文主要介绍自动气象站里的中学物理化学知识。
关键词：自动站；中学；物理；化学；科普
引言
气象观测是气象预报工作的基础。地面气象观测是气象观测的重要组成部分，为天气预报、气候分析、科学研究等提供重要的数据支持。地面气象观测是气象观测站的基本工作任务，现在多数气象站已采用自动站作为主要观测设备，作为中学生，应对自动气象站有大致了解，重点是了解其中的科学知识。
1自动气象站简介
自动气象站是一种能自动地观测和存储气象观测数据的设备,主要由传感器、采集器、通讯接口、系统电源等组成。自动气象站常用的传感器有：膜盒式电容气压传感器、铂电阻温度传感器、湿敏电容湿度传感器、单翼风向传感器、风杯风速传感器、翻斗式雨量传感器、称重式雨量传感器、超声波蒸发量传感器、铂电阻地温传感器、日照传感器等。
2自动站蕴含的中学理化知识
2.1风传感器
（1）风传感器主要有风向传感器、风速传感器。测量风向使用单翼风向传感器，测量风速使用风杯风速传感器。
（2）单翼风向传感器
单翼风向传感器采用轴式风向标，他应用了压强与流速的关系 ，即流体在流速大的地方压强小，在流速小的地方压强大。风向标制成流线型，有利于在两侧形成压强差，使其指向正确风向。
（3）风杯风速传感器
风杯风速传感器采用轴式风杯，它运用了压强与受力面积的关系，根据压强定义式可知，风杯的的受力方向指向风杯内部，受力面积越小，压强越大，从而使风杯转动。
2.2蒸发传感器
（1）蒸发，是一种缓慢的汽化现象，是物质由液态变为气态的过程。蒸发传感器主要使用了连通器原理和超声测距原理。
（2）上端开口相通，底部相通的容器叫连通器。在观测场内埋入大小不等的两个水池，使其深度相同，中间用一根水管连接，当有降水出现时，它们就组成了连通器。
（3）超声测距原理原理：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间T，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即（①） 。这就是所谓的时间差测距法。
在蒸发量传感器中，大的水池承接降水，小的水池用百叶箱罩起，在百叶箱内部放入超声测距仪，根据公式①计算出当前蒸发量，与上一时次进行比较，通过水位变化计算出蒸发量。
2.3温度传感器、地温传感器
（1）摄氏温标
温度的度量方法称为温标，主要有摄氏温标、华氏温标、开氏温标等。摄氏温标是目前使用比较广泛的一种温标，它已被纳入国际单位制，单位是°C（读作摄氏度）。摄氏温标的结冰点是0°C，在1个标准大气压下水的沸点为100°C。
摄氏温标与华氏温标换算公式为摄氏温标=（华氏温标－32）÷1.8 。
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摄氏温标与绝对温标的换算式是摄氏温标=开氏温标-273.15。
一般情况下，为满足观测要求，温度传感器量程为-50°C~50°C。
（2）铂电阻传感器
导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测物体的温度，这就是电阻温度传感器的工作原理。铂电阻传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化的特性来进行测温，其温度/阻值的对应关系为为一个分段函数：
当 -50℃<t<0℃时，R=100[1+At+Bt2+Ct（t-100）]当0℃≤t≤50℃时，R=100（1+At+B t2）
函数也从侧面反映出铂电阻的灵敏性。铂电阻温度传感器的量程大，能满足极端气候条件下的温度测量，这是它与玻璃测量仪器（水银、酒精温度计）的优点。铂电阻温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。通过传感器与被测物质（通常是空气或土壤）接触，产生热传递，使铂电阻的电阻发生变化，进而测出温度变化。铂（Pt）排在金属活动性顺序表的倒数第二位，仅次于金，在常温下化学性质稳定，具有不与水不反应、不与氧化性酸（气象条件下一般指溶解了二氧化硫等酸性气体的降水或PH<5.6的酸雨）反应的化学性质。
（4）百叶箱
百叶箱是里面放有气象观测仪器，而空气能流通的箱子，箱子里面放有温度表、湿度表、等多种仪器。这些仪器是用来测量空气的温度和湿度的，因此人们希望箱子内的气温与湿度不要因箱体表面受到阳光超时间照射而有所影响。因为物体颜色越深，吸收太阳光的热量越多，百叶箱外壁如果漆成黑色或其他较深的颜色，那么它在阳光下的温度就会迅速升高，箱内的空气温度也会随之提高，所测定的气温和湿度就是受太阳照射后的百叶箱内的温度和湿度，与正常的测量值偏差较大，数据就没有代表性，测量也就失去了意义。而把百叶箱外壁漆成白色，投射在百叶箱上的阳光会被白色的表面反射掉，箱内的空气不至于因箱壁升温而烤得很热，所测出来的气温和湿度就有较强的代表性，因此，百叶箱外壁一定是白色的。
2.4气压
气压是大气压强的简称，是作用在单位面积上的大气压力，即等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。气压大小与海拔高度、大气温度、大气密度等条件有关。一般随高度增大而减小。表示气压的单位，原来常用水银柱高度（比如医院所使用的血压计），现在一般使用单位hPa。
2.5冻土器
冻土器是测量0~250mm深度土壤的结冰深度的仪器。由于橡胶管过长，为防止管内的冰断裂、测量方便，使用定滑轮将橡胶管拉出，方便观测人员读数。定滑轮的中心轴是固定不动的。此时使用定滑轮的功能是改变力的方向，但不能省力。当牵拉橡胶管时，可使用定滑轮将施力方向由向上转变为向下，使人更方便用力。使用定滑轮时，施力作用的距离等于物体上升的距离，即绳运动的距离等于橡胶管移动的距离，在这个过程中不能省力也不费力。绳索两端的拉力相等，不计摩擦时，定滑轮的机械效率接近于1。
2.6湿度传感器
湿度传感器的主要部件是湿敏电容。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的。湿敏电容可看做一个平行板电容器，平行板电容器的决定式为，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量C也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。
2.7综合控制器:光电耦合
光电耦合器是由一个发光二极管和一个光敏电阻组成的电路，发光二极管对准光敏电阻发光。当发光二极管发光时，光敏电阻的阻值发生变化，光敏电阻两端的电压也就发生了变化。这样就从根本上隔离了前级和后级电路，实现理想耦合。在光电耦合电路中，信号是单向传输的，输入端和输出端实现了电气隔离，输出信号对输入信号没有影响，抗干扰能力强，工作稳定，传输效率高。
2.8称重式雨量传感器
称重式降水传感器的测量原理是通过对质量变化的快速响应测量降水量。冬天时使用称重式降水传感器，在使用前想承接桶内加入防冻液和抑制蒸发油。
防冻冷却液有比水更高的沸点、更低的冰点，能防止水垢等沉积物的产生、防止泡沫产生，在很长时间内不挥发也不会减少。为什么防冻液能起到防冻效果？这是因为加入防冻液后，油与水的混合物的凝固点变低，使水在0°C时不会结冰，增加传感器的使用精度。抑制蒸发油的作用是使承水桶内的水不会因蒸发而减少，进而造成称重式降水传感器所测量值与真实值相比偏小，造成所测降水量的结果偏小。
参考文献：
[1]地面气象观测规范[M].北京.气象出版社,2003年:6
[2]黄思源;刘钧.新型自动气象站观测业务技术[M].北京.气象出版社,2014年:21-35
第一作者简介：徐中琦（1991-）男，汉族，黑龙江海伦人，本科学历，助理工程师，从事气象观测工作。
论文作者:徐中琦,于江明
论文发表刊物:《科技研究》2019年5期
论文发表时间:2019/7/23
标签：传感器论文; 百叶箱论文; 摄氏温标论文; 温标论文; 压强论文; 定滑轮论文; 气象论文; 《科技研究》2019年5期论文;