一種手持氣象儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jìn)行組裝，準(zhǔn)備工作繁雜。一些手持式氣象儀在殼體強(qiáng)度、耐候性、抗干擾能力等方面未做考慮或水平很低，設(shè)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(jié)構(gòu)選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǎn)品各方面性能得到加強(qiáng)，并能滿足軍事領(lǐng)域的使用要求[1]。

1 結(jié)構(gòu)組成

手持氣象儀是依靠使用者手持設(shè)備進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)觀測的儀器，從結(jié)構(gòu)上分為傳感器組件和手持組件兩個(gè)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(fēng)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(shù)據(jù)處理及顯示和設(shè)備供電的核心組件，主要包括數(shù)據(jù)處理及顯示單元和手柄單元[2]。手持氣象儀的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示：

2 傳感器組件

傳感器組件的直徑?jīng)Q定了設(shè)備的最大直徑，而超聲風(fēng)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(fēng)傳感器的工作原理，是通過一個(gè)傳感器探頭發(fā)射超聲波，經(jīng)過反射面反射再被另外一個(gè)探頭接收，期間超聲波的傳播速度和傳播方向會(huì)與風(fēng)的傳播速度和傳播方向疊加或相抵，通過一系列計(jì)算最終得到風(fēng)速風(fēng)向測量值。因此探頭的間距越大，超聲波傳播路徑就越長，風(fēng)速風(fēng)向的測量精度就越高。經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)，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(jié)合內(nèi)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(jié)構(gòu)選材方面，為了保證傳感器在高速風(fēng)下工作的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)件需要具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)還要保證設(shè)備的抗電磁干擾能力。另外，在滿足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)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(qiáng)度高的特點(diǎn)，其密度為1.8g/cm3左右，僅為鋁合金6061的2/3，同時(shí)強(qiáng)度又比工程塑料ABS高很多。鎂合金良好的導(dǎo)電性能使其具有出色的電磁屏蔽能力，良好的導(dǎo)熱性能使溫度傳感器測量環(huán)境溫度時(shí)更加準(zhǔn)確。為了在提高鎂合金的耐腐蝕能力的同時(shí)，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(nèi)表面做導(dǎo)電氧化處理。雨量傳感器為聲壓式傳感器，通過將雨點(diǎn)打擊雨量蓋產(chǎn)生的震動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杹頊y量雨量，所以雨量蓋的材料對震動(dòng)的衰減要盡量小，其中鋼、鐵對震動(dòng)的衰減要遠(yuǎn)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(qiáng)度的同時(shí)，兼顧了材料的耐腐蝕能力。另外，為了減少震動(dòng)傳導(dǎo)至殼體造成衰減，在雨量蓋與殼體之間填充705硅橡膠進(jìn)行緩沖和連接。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，反射面四周設(shè)計(jì)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(fēng)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(shí)的吸收熱量，降低太陽輻射對測量環(huán)境溫度的影響，同時(shí)防輻射罩內(nèi)部設(shè)計(jì)風(fēng)道罩，風(fēng)道罩表面通氣孔上疏下密，配合底部風(fēng)扇可以均勻地引導(dǎo)空氣流動(dòng)，輔助散熱，防止內(nèi)部熱量聚集影響溫度傳感器測量。傳感器組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：

氣壓傳感器安裝在圓形腔體內(nèi)部，為保護(hù)氣壓傳感器及防止空氣擾動(dòng)對氣壓傳感器測量造成影響，在腔體前端設(shè)計(jì)氣壓緩沖腔進(jìn)行前置保護(hù)。氣壓緩沖腔通過防水透氣閥與外界空氣連通，同時(shí)防水透氣閥也對空氣進(jìn)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(nèi)部的破壞和腐蝕[4]。另外，為氣壓傳感器單元設(shè)計(jì)一個(gè)寶塔頭作為附件，當(dāng)氣壓傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，將防水透氣閥更換為寶塔頭用于連接進(jìn)氣管和標(biāo)準(zhǔn)源，便于數(shù)值標(biāo)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(jìn)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(nèi)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(jié)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(jié)構(gòu)選材方面，數(shù)據(jù)處理及顯示單元繼續(xù)沿用鎂合金AZ91D。數(shù)據(jù)處理及顯示單元內(nèi)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(yuǎn)低于鋁合金6061的0.7%，實(shí)際電子羅盤在鎂合金AZ91D的腔體內(nèi)的測量精度也遠(yuǎn)高于鋁合金6061，腔體內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)件選用銅螺釘和絕緣墊片，進(jìn)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(shí)PC的尺寸穩(wěn)定性能夠保證在高低溫環(huán)境下顯示窗口與殼體的完美配合。手柄單元的強(qiáng)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(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼?zhèn)淞薃BS優(yōu)良的注塑流動(dòng)性，利于手柄單元內(nèi)部復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)成型。成型后，手柄單元內(nèi)部噴涂導(dǎo)電銀銅漆作為屏蔽涂層，提升設(shè)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(shí)考慮設(shè)備的耐高低溫要求，選取SEBS作為TPR的基材[5]。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，在數(shù)據(jù)處理及顯示單元的顯示屏與顯示窗口之間增加透光導(dǎo)電膜用于電磁屏蔽，導(dǎo)電膜四周通過導(dǎo)電雙面膠貼合在殼體上，與殼體形成連續(xù)的導(dǎo)電屏蔽層，同時(shí)顯示屏向腔體內(nèi)部穿線部位用705硅橡膠進(jìn)行灌封，外部顯示窗口通過3M背膠貼合在殼體凹槽內(nèi)。數(shù)據(jù)處理及顯示單元示意圖如圖4所示：

手柄單元外形設(shè)計(jì)成流線型，增加美觀度；防滑橡膠表面設(shè)計(jì)流線凹槽，增加美觀度的同時(shí)也進(jìn)一步提升防滑性能；手柄腔體內(nèi)腔與電池外形設(shè)計(jì)成“凸”形相互配合，進(jìn)行限位；底蓋上的航空插座與手柄腔體的連接設(shè)計(jì)成觸點(diǎn)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(shè)計(jì)3個(gè)定位孔，可用于手持氣象儀的擴(kuò)展架設(shè)和接地。手柄單元示意圖如圖5所示：

4 結(jié)語

隨著國際形勢的不斷復(fù)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(duì)任務(wù)的重要設(shè)備，需求量也在不斷提升。加大新材料新工藝的應(yīng)用探究，是提升產(chǎn)品性能的重要方向。只有質(zhì)量可靠、性能優(yōu)越的產(chǎn)品，才能為部隊(duì)執(zhí)行任務(wù)提供最堅(jiān)實(shí)的后盾。