一種手持氣象儀的結構設計

平凡

（江蘇無線電廠有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

市面上的氣象儀主要為固定式和組合式氣象儀，固定式氣象儀不可隨身攜帶，使用范圍受到限制；組合式氣象儀組成部件多，不便于攜帶，使用前需要進行組裝，準備工作繁雜。一些手持式氣象儀在殼體強度、耐候性、抗干擾能力等方面未做考慮或水平很低，設備體積和重量也并未做到“能減盡減”的要求。本文主要論述如何通過結構選材、結構設計和表面處理來提升氣象儀的測量精度、抗干擾能力和手持便攜性能，使產品各方面性能得到加強，并能滿足軍事領域的使用要求[1]。

1 結構組成

手持氣象儀是依靠使用者手持設備進行氣象數據觀測的儀器，從結構上分為傳感器組件和手持組件兩個部分。傳感器組件是測量氣象要素的核心組件，主要包括雨量傳感器、超聲風傳感器、溫度濕度傳感器和大氣壓力傳感器；手持組件是手持操作、數據處理及顯示和設備供電的核心組件，主要包括數據處理及顯示單元和手柄單元[2]。手持氣象儀的結構組成如圖1所示：

2 傳感器組件

傳感器組件的直徑決定了設備的最大直徑，而超聲風傳感器單元的直徑直接限制了傳感器組件直徑大小。超聲風傳感器的工作原理，是通過一個傳感器探頭發射超聲波，經過反射面反射再被另外一個探頭接收，期間超聲波的傳播速度和傳播方向會與風的傳播速度和傳播方向疊加或相抵，通過一系列計算最終得到風速風向測量值。因此探頭的間距越大，超聲波傳播路徑就越長，風速風向的測量精度就越高。經過一系列實驗，在滿足精度要求的前提下，超聲波傳感器單元的直徑確定為120mm，即傳感器單元最大直徑為120mm；反射面高度確定為46.29mm，再結合內部PCB板和其他傳感器的高度尺寸，傳感器單元的總高度確定為208.5mm[3]。

結構選材方面，為了保證傳感器在高速風下工作的穩定性，結構件需要具有較高的強度，同時還要保證設備的抗電磁干擾能力。另外，在滿足性能指標的前提下，應盡量減輕材料重量，提升手持和便攜性能。綜合考慮各方面因素，傳感器組件的材料確定為鎂合金AZ91D。鎂合金具有重量輕、強度高的特點，其密度為1.8g/cm3左右，僅為鋁合金6061的2/3，同時強度又比工程塑料ABS高很多。鎂合金良好的導電性能使其具有出色的電磁屏蔽能力，良好的導熱性能使溫度傳感器測量環境溫度時更加準確。為了在提高鎂合金的耐腐蝕能力的同時，又不影響材料本身的屏蔽性能，將零件外表面做微弧氧化處理并噴防鹽霧防霉漆，內表面做導電氧化處理。雨量傳感器為聲壓式傳感器，通過將雨點打擊雨量蓋產生的震動轉變為電信號來測量雨量，所以雨量蓋的材料對震動的衰減要盡量小，其中鋼、鐵對震動的衰減要遠低于其他材料。綜合考慮各方面因素，雨量蓋材料確定為0.6mm厚316L不銹鋼，在保證薄壁強度的同時，兼顧了材料的耐腐蝕能力。另外，為了減少震動傳導至殼體造成衰減，在雨量蓋與殼體之間填充705硅橡膠進行緩沖和連接。

結構設計方面，反射面四周設計了一圈防水沿，防止雨水流向反射面中心影響超聲波反射；超聲風探頭的安裝平面中心高于四周，防止安裝平面積水遮擋探頭；防輻射罩表面噴涂成白色，減少日照時的吸收熱量，降低太陽輻射對測量環境溫度的影響，同時防輻射罩內部設計風道罩，風道罩表面通氣孔上疏下密，配合底部風扇可以均勻地引導空氣流動，輔助散熱，防止內部熱量聚集影響溫度傳感器測量。傳感器組件結構示意圖如圖2所示：

氣壓傳感器安裝在圓形腔體內部，為保護氣壓傳感器及防止空氣擾動對氣壓傳感器測量造成影響，在腔體前端設計氣壓緩沖腔進行前置保護。氣壓緩沖腔通過防水透氣閥與外界空氣連通，同時防水透氣閥也對空氣進行了過濾和緩沖，有效減少了空氣中的水分、鹽分等污染物對氣壓傳感器和腔體內部的破壞和腐蝕[4]。另外，為氣壓傳感器單元設計一個寶塔頭作為附件，當氣壓傳感器進行標定時，將防水透氣閥更換為寶塔頭用于連接進氣管和標準源，便于數值標定。氣壓傳感器單元示意圖如圖3所示：

3 手持組件

手持組件需要與氣壓傳感器單元進行安裝配合，故手持組件頂部的尺寸已被限制，只需考慮手握部位的直徑。手握部位由內往外分別為電池、殼體、防滑橡膠，綜合考慮各方面因素，手握部位最小直徑確定為47mm，向上和向下分別以曲面展開，結合外層防滑橡膠，極大地提升了使用者手握的舒適度。手持組件的高度由顯示屏、PCB板、電池、航空插頭的高度共同決定，綜合考慮各方面因素，手持組件的高度確定為201.5mm。

結構選材方面，數據處理及顯示單元繼續沿用鎂合金AZ91D。數據處理及顯示單元內部的電子羅盤對材料的無磁性要求非常高，鎂合金AZ91D的鐵元素含量≤0.005%，遠低于鋁合金6061的0.7%，實際電子羅盤在鎂合金AZ91D的腔體內的測量精度也遠高于鋁合金6061，腔體內部的標準件選用銅螺釘和絕緣墊片，進一步減小對電子羅盤的干擾。顯示屏處的顯示窗口從透光率和耐高低溫性能角度考慮，選擇聚碳酸酯PC作為材料，同時PC的尺寸穩定性能夠保證在高低溫環境下顯示窗口與殼體的完美配合。手柄單元的強度要求相對于其他主要零部件略低，所以選取工程塑料作為手柄單元的材料。目前比較常用的工程塑料有聚碳酸酯PC、聚酰胺PA、聚苯硫醚PPS等，綜合考慮各方面因素，確定手柄單元的材料為ABS工程塑料，即PC樹脂+ABS樹脂共混，它不但具有PC的耐熱耐候性和尺寸穩定性等優點，同時兼備了ABS優良的注塑流動性，利于手柄單元內部復雜薄壁結構成型。成型后，手柄單元內部噴涂導電銀銅漆作為屏蔽涂層，提升設備抗干擾能力。手柄單元外部的防滑橡膠，采用TPR（熱塑性橡膠）作為材料，不但具有天然橡膠的彈性，其耐磨性、防滑性和減震性也得到很大提升。同時考慮設備的耐高低溫要求，選取SEBS作為TPR的基材[5]。

結構設計方面，在數據處理及顯示單元的顯示屏與顯示窗口之間增加透光導電膜用于電磁屏蔽，導電膜四周通過導電雙面膠貼合在殼體上，與殼體形成連續的導電屏蔽層，同時顯示屏向腔體內部穿線部位用705硅橡膠進行灌封，外部顯示窗口通過3M背膠貼合在殼體凹槽內。數據處理及顯示單元示意圖如圖4所示：

手柄單元外形設計成流線型，增加美觀度；防滑橡膠表面設計流線凹槽，增加美觀度的同時也進一步提升防滑性能；手柄腔體內腔與電池外形設計成“凸”形相互配合，進行限位；底蓋上的航空插座與手柄腔體的連接設計成觸點式連接，免除取下底蓋后的外部線纜以提升使用便利性；底蓋底部設計3個定位孔，可用于手持氣象儀的擴展架設和接地。手柄單元示意圖如圖5所示：

4 結語

隨著國際形勢的不斷復雜，國家對于國防力量的投入也在增加，手持氣象儀作為保障軍隊任務的重要設備，需求量也在不斷提升。加大新材料新工藝的應用探究，是提升產品性能的重要方向。只有質量可靠、性能優越的產品，才能為部隊執行任務提供最堅實的后盾。