一种手持气象仪的结构设计

平凡

（江苏无线电厂有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

市面上的气象仪主要为固定式和组合式气象仪，固定式气象仪不可随身携带，使用范围受到限制；组合式气象仪组成部件多，不便于携带，使用前需要进行组装，准备工作繁杂。一些手持式气象仪在壳体强度、耐候性、抗干扰能力等方面未做考虑或水平很低，设备体积和重量也并未做到“能减尽减”的要求。本文主要论述如何通过结构选材、结构设计和表面处理来提升气象仪的测量精度、抗干扰能力和手持便携性能，使产品各方面性能得到加强，并能满足军事领域的使用要求[1]。

1 结构组成

手持气象仪是依靠使用者手持设备进行气象数据观测的仪器，从结构上分为传感器组件和手持组件两个部分。传感器组件是测量气象要素的核心组件，主要包括雨量传感器、超声风传感器、温度湿度传感器和大气压力传感器；手持组件是手持操作、数据处理及显示和设备供电的核心组件，主要包括数据处理及显示单元和手柄单元[2]。手持气象仪的结构组成如图1所示：

2 传感器组件

传感器组件的直径决定了设备的最大直径，而超声风传感器单元的直径直接限制了传感器组件直径大小。超声风传感器的工作原理，是通过一个传感器探头发射超声波，经过反射面反射再被另外一个探头接收，期间超声波的传播速度和传播方向会与风的传播速度和传播方向叠加或相抵，通过一系列计算最终得到风速风向测量值。因此探头的间距越大，超声波传播路径就越长，风速风向的测量精度就越高。经过一系列实验，在满足精度要求的前提下，超声波传感器单元的直径确定为120mm，即传感器单元最大直径为120mm；反射面高度确定为46.29mm，再结合内部PCB板和其他传感器的高度尺寸，传感器单元的总高度确定为208.5mm[3]。

结构选材方面，为了保证传感器在高速风下工作的稳定性，结构件需要具有较高的强度，同时还要保证设备的抗电磁干扰能力。另外，在满足性能指标的前提下，应尽量减轻材料重量，提升手持和便携性能。综合考虑各方面因素，传感器组件的材料确定为镁合金AZ91D。镁合金具有重量轻、强度高的特点，其密度为1.8g/cm³左右，仅为铝合金6061的2/3，同时强度又比工程塑料ABS高很多。镁合金良好的导电性能使其具有出色的电磁屏蔽能力，良好的导热性能使温度传感器测量环境温度时更加准确。为了在提高镁合金的耐腐蚀能力的同时，又不影响材料本身的屏蔽性能，将零件外表面做微弧氧化处理并喷防盐雾防霉漆，内表面做导电氧化处理。雨量传感器为声压式传感器，通过将雨点打击雨量盖产生的震动转变为电信号来测量雨量，所以雨量盖的材料对震动的衰减要尽量小，其中钢、铁对震动的衰减要远低于其他材料。综合考虑各方面因素，雨量盖材料确定为0.6mm厚316L不锈钢，在保证薄壁强度的同时，兼顾了材料的耐腐蚀能力。另外，为了减少震动传导至壳体造成衰减，在雨量盖与壳体之间填充705硅橡胶进行缓冲和连接。

结构设计方面，反射面四周设计了一圈防水沿，防止雨水流向反射面中心影响超声波反射；超声风探头的安装平面中心高于四周，防止安装平面积水遮挡探头；防辐射罩表面喷涂成白色，减少日照时的吸收热量，降低太阳辐射对测量环境温度的影响，同时防辐射罩内部设计风道罩，风道罩表面通气孔上疏下密，配合底部风扇可以均匀地引导空气流动，辅助散热，防止内部热量聚集影响温度传感器测量。传感器组件结构示意图如图2所示：

气压传感器安装在圆形腔体内部，为保护气压传感器及防止空气扰动对气压传感器测量造成影响，在腔体前端设计气压缓冲腔进行前置保护。气压缓冲腔通过防水透气阀与外界空气连通，同时防水透气阀也对空气进行了过滤和缓冲，有效减少了空气中的水分、盐分等污染物对气压传感器和腔体内部的破坏和腐蚀[4]。另外，为气压传感器单元设计一个宝塔头作为附件，当气压传感器进行标定时，将防水透气阀更换为宝塔头用于连接进气管和标准源，便于数值标定。气压传感器单元示意图如图3所示：

3 手持组件

手持组件需要与气压传感器单元进行安装配合，故手持组件顶部的尺寸已被限制，只需考虑手握部位的直径。手握部位由内往外分别为电池、壳体、防滑橡胶，综合考虑各方面因素，手握部位最小直径确定为47mm，向上和向下分别以曲面展开，结合外层防滑橡胶，极大地提升了使用者手握的舒适度。手持组件的高度由显示屏、PCB板、电池、航空插头的高度共同决定，综合考虑各方面因素，手持组件的高度确定为201.5mm。

结构选材方面，数据处理及显示单元继续沿用镁合金AZ91D。数据处理及显示单元内部的电子罗盘对材料的无磁性要求非常高，镁合金AZ91D的铁元素含量≤0.005%，远低于铝合金6061的0.7%，实际电子罗盘在镁合金AZ91D的腔体内的测量精度也远高于铝合金6061，腔体内部的标准件选用铜螺钉和绝缘垫片，进一步减小对电子罗盘的干扰。显示屏处的显示窗口从透光率和耐高低温性能角度考虑，选择聚碳酸酯PC作为材料，同时PC的尺寸稳定性能够保证在高低温环境下显示窗口与壳体的完美配合。手柄单元的强度要求相对于其他主要零部件略低，所以选取工程塑料作为手柄单元的材料。目前比较常用的工程塑料有聚碳酸酯PC、聚酰胺PA、聚苯硫醚PPS等，综合考虑各方面因素，确定手柄单元的材料为ABS工程塑料，即PC树脂+ABS树脂共混，它不但具有PC的耐热耐候性和尺寸稳定性等优点，同时兼备了ABS优良的注塑流动性，利于手柄单元内部复杂薄壁结构成型。成型后，手柄单元内部喷涂导电银铜漆作为屏蔽涂层，提升设备抗干扰能力。手柄单元外部的防滑橡胶，采用TPR（热塑性橡胶）作为材料，不但具有天然橡胶的弹性，其耐磨性、防滑性和减震性也得到很大提升。同时考虑设备的耐高低温要求，选取SEBS作为TPR的基材[5]。

结构设计方面，在数据处理及显示单元的显示屏与显示窗口之间增加透光导电膜用于电磁屏蔽，导电膜四周通过导电双面胶贴合在壳体上，与壳体形成连续的导电屏蔽层，同时显示屏向腔体内部穿线部位用705硅橡胶进行灌封，外部显示窗口通过3M背胶贴合在壳体凹槽内。数据处理及显示单元示意图如图4所示：

手柄单元外形设计成流线型，增加美观度；防滑橡胶表面设计流线凹槽，增加美观度的同时也进一步提升防滑性能；手柄腔体内腔与电池外形设计成“凸”形相互配合，进行限位；底盖上的航空插座与手柄腔体的连接设计成触点式连接，免除取下底盖后的外部线缆以提升使用便利性；底盖底部设计3个定位孔，可用于手持气象仪的扩展架设和接地。手柄单元示意图如图5所示：

4 结语

随着国际形势的不断复杂，国家对于国防力量的投入也在增加，手持气象仪作为保障军队任务的重要设备，需求量也在不断提升。加大新材料新工艺的应用探究，是提升产品性能的重要方向。只有质量可靠、性能优越的产品，才能为部队执行任务提供最坚实的后盾。