一种便携式微气象电磁参数测试装置

技术领域

本发明属于结构设计领域，涉及一种测试装置和测试方法，具体来说是一种便携式微气象电磁参数测试装置。

背景技术

波导管是一种高精密器件，在设计实验装置的过程中，除了传感器、温湿度和显示屏模块等程序烧写以外，硬件和结构布局的设计也是影响实验效果的一大因素。

圆形波导管为实验核心，需要依据电磁波传输本身进行设计，圆形波导管的同轴传输线是一种基于MEMS的3D射频传输技术，具有超宽带、无色散、低损耗、高功率容量、高隔离度等特点；此外在工艺层面，采用硬铝材料、提高波导管内壁的表面粗糙度和位置精度、按需求选择波导管两端螺纹参数规格，都能大幅提升电磁波传输效率，降低由外部磁场和加工粗糙带来的信号干扰。

单调的测试仪器——测试设备机制会让实验显得片面，不经过系统化整备，本身就会降低实验价值，且实验灵活性与便捷性会受到极大约束。对此需要设计结构性布局，结合材料力学和机械设计的知识，在保证各仪器部件的合理空间布局下，同时解决硬件接线问题、用料成本问题和美观问题。最后，为了实现实验装置便携性的特点，应该考虑设备承载强度、合理设计装配工序，并将装置整备至模块工具箱内，实现随时随地随测。

发明内容

本发明针对现有电磁参数测试装置的不足，提供了一种便携式微气象电磁参数测试装置，可以将气象中的电磁波检测缩小到桌面级。

本发明便携式微气象电磁参数测试装置，设计有由底座与中板构成的夹层结构，底座与中板间通过周向的连接轴定位；夹层内用于布线。底座上表面开槽，用于设置变频风机组件、电阻式旋钮、水箱、调频装置；底座上还安装有温湿度显示屏及开发板。同时中板上对应于变频风机组件、电阻式旋钮、水箱、调频装置及温湿度显示屏位置开有通口，供各设备穿出暴露于中板上；中板上还安装有波导管收纳盒，内部放置波导管；水箱外壁上安装雾化器。

上述波导管两端端部接口连接矢量网络分析仪，由矢量网络分析仪测试波导管腔内环境的电磁参数。波导管两端外壁对侧上开设进气孔与出气孔，分别通过两根PVC管连接变频风机出风端与进风端的风机套端部接口，由变频风机向波导管内输送气体。同时在两根PVC管内部，靠近变频风机两端风机套接口处安装温度传感器与湿度传感器；且其中湿度传感器位于变频风机出风端一侧。变频风机出风端一侧的PVC管上开孔，位置靠近该PVC管与风机套端部接口连接处，雾化器的出气管由该开口接入PVC管内。

所述电阻式旋钮圆柱侧面3根接口的排孔，分别接收超声波雾化器上的3根引线，用作数据传输。电阻式旋钮连接加热装置与开发板；加热装置安装于变频风机出风端一侧的PVC管内部；当需要调节温度时，转动旋钮，将信号反馈给开发板，通过开发板程序将信号给到加热装置，进行温湿度调节。

所述水箱顶部采用螺纹连接方式安装有水箱盖，实现水箱的密封；在进行测试时，打开水箱盖，将雾化器的吸水棉质棒由水箱顶部置于水箱内，进而雾化器由水箱内吸水并进行雾化产生雾化气，雾化气进入PVC管内，调节由变频风机向波导管内通入的气体湿度。

所述调频装置连接开发板和变频风机，间接调控pvc硅胶管内气体材料的流动速度。

所述开发板连接显示屏、温度传感器、湿度传感器以及变频风机旋钮、加热装置与雾化器，用于写入变频风机、加热装置和雾化器的控制程序，实现变频风机风力调节，以及波导管内温湿度调节，并接受微气象环境的温湿度信息，分别显示在两块显示屏上。

基于上述结构的便携式微气象电磁参数测试装置，具体测试步骤为：

步骤1：组合各个装配体，检查各部件安装合理性、稳定性。

步骤2：安装开发板，外接电源，并按照Arduino源代码引脚设置接线，分别接入温度传感器、湿度传感器、加热装置、超声波雾化器、电阻式旋钮以及显示屏组件。

步骤3：将波导管两端分别与矢量网络分析仪输入端和输出端通过电缆相连，并通过两根PVC管连接风机与波导管。进一步打开水箱盖，将雾化器的吸水棉质棒置于水箱的水面下。

步骤4：设备通电，超声波雾化器雾化水蒸气通入风机，根据变频风机两端的pvc硅胶管中嵌入的温湿度传感器DHT11获得通入波导管内气体的温湿度信息，通过调节变频风机的功率和超声波雾化器的雾化强度，以及加热装置的温度来调整波导内的气体温湿度。待波导管测试环境趋于稳定，在矢量网络分析仪上从波导管输入端输入电磁波脉冲，进行输入电磁波与输出电磁波对比分析，探究不同温湿度下空气对电磁波特性影响。

本发明的优点在于：

1、本发明便携式微气象电磁参数测试装置，结构部件均采用ABS树脂材料，ABS树脂的材料特性在允许范围误差内不会造成磁干扰，保证波导管实验的正常工作。

2、本发明便携式微气象电磁参数测试装置，圆形波导管具有高精度的精度设计和巧妙螺纹选型，并且后期严格保障加工质量，使波导管内腔形成磁场隔离，大幅降低电磁波传输损耗，提高了波导管实验的准确性。

3、本发明便携式微气象电磁参数测试装置，装置底座与中板层层拆装，拆除中板来处理硬件，安装上中板供实验人员测试，既层次化实验设备，又保证美观性、实用性。

4、本发明便携式微气象电磁参数测试装置，波导管非工作状态下收纳于波导管收纳底座，底座的模型槽中塞入缓冲垫片，防止实验装置携带时在波导管外壁产生磕碰；实验时，波导管置于位于中下部的波导管支架上，位置关于中线对称，防止pvc硅胶管由于位置不对称产生的弯折，提高管内气体材料的流通性。

5、本发明便携式微气象电磁参数测试装置，装置中设计的双显示屏支撑可以同时并排安装温、湿度2块显示屏，便于实验人员高效读取数据；支撑下端相应位置开槽，作为显示屏数据接口出线的预留位置。

6、本发明便携式微气象电磁参数测试装置，实验装置耗材少，换材周期长，通过简单清晰的结构布局搭建电磁波参数测试模型，成本低、稳定性强，对微气象模拟和实验参数测试提供了重要的保障。

附图说明

图1为本发明便携式微气象电磁参数测试装置总装结构示意图。

图2为本发明便携式微气象电磁参数测试装置半装结构示意图。

图3为本发明便携式微气象电磁参数测试装置变频风机组件结构示意图。

图4为本发明便携式微气象电磁参数测试装置显示屏组件示意图。

图5为本发明便携式微气象电磁参数测试装置连接轴组件示意图。

图6为本发明便携式微气象电磁参数测试装置波导管收纳组件示意图。

图7为波导管上进出气孔位置示意图。

图8为本发明便携式微气象电磁参数测试装置的电路及气路流程示意图。

图中：

1-装置底座 2-中板 3-变频风机组件

4-电阻式旋钮 5-水箱盖 6-水箱

7-波导管收纳组件 8-调频装置 9-显示屏组件

10-开发板 11-波导管支架 12-连接轴组件

13-超声波雾化器 301-风机套 302-风机支架

303-风机支架 304-变频风机 701-波导管盖

702-圆形波导管 703-波导管收纳盒 704-波导管收纳底座

901-显示屏支撑 902-显示屏 1201-连接轴

1202-连接轴螺纹帽 1301-雾化器芯片

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明便携式微气象电磁参数测试装置，包括装置底座1、中板2、变频风机组件3、电阻式旋钮4、水箱盖、水箱6、波导管收纳组件7、调频装置8、显示屏组件9、开发板(UNO)10、波导管支架11、连接轴组件12与超声波雾化器13，如图1、图2所示。

所述装备底座为矩形板状结构，整体尺寸为400*300*25(mm)，装备底座上表面开深度、尺寸和形状不一的槽，包括装备底座左上方的调频装置装配槽、右上方的水箱装配槽、右上角的电阻式旋钮装配槽；同时还在装置底座1中部靠近上侧边、下侧边、左侧边与右侧边位置处开设有连接轴装配孔。

上述装置底座1上表面中上方位置安装有变频风机组件3。该变频风机组件3中，变频风机303沿装置底座1左右方向设置，出风端与进风端分别朝向调频装置8与水箱6。如图3所示，变频风机303两端套入风机支架302，使两个风机支架302与变频风机303中部风扇腔贴合，进一步在变频风机303两端分别过盈配合套接筒状风机套301。上述结构变频风机组件3通过风机支架设置于装备底座上，由盘头螺钉配合风机支架302底端两侧凸台上的通孔与装备底座上对应的螺孔，将风机支架302固定于装备底座上，进而实现变频风机组件3与装置底座1间的固定。

上述装置底座1顶面中心位置安装显示屏组件9，用于实验人员观察参数。显示屏902由安装在显示屏支撑901上的温度显示屏与湿度显示屏构成；其中显示屏支撑901具有左右两个矩形截面凹槽，两个凹槽具有一定深度，顶部分别内嵌温度显示屏与湿度显示屏，两块显示屏902通过凹槽内的环形台肩定位后，通过螺钉配合两块显示屏902周向上的螺孔与环形台肩上对应的螺孔，实现两块显示屏902的固定。进一步由盘头螺钉配合显示屏支撑901底部两端设计的凸耳上的通孔与装备底座对应位置的螺孔，将显示屏支撑901固定于装置底座1上，实现两块显示屏902在装置底座1上的固定。上述两个凹槽后侧壁上开口，分别作为两块显示屏902的数据线出线口；同时，在装置底座1上位于两块显示屏902的数据出线口位置，设计有两个布线槽，由此使得在显示屏902连接杜邦线时，杜邦线在布线槽处弯曲转向而不产生弯折，弯曲后竖直向上接显示屏902。

所述超声波雾化器13包括雾化器主体与雾化器控制芯片1301；其中雾化器控制芯片1301安装于装置底座1上表面，尽量靠近雾化器主体。雾化器主体与水箱6均位于变频风机303的右侧，为了更好的气体雾化效果，超声波雾化器13的出气口与雾化器主体间应保持较近距离。雾化器主体与雾化器芯片1301间通过中板2上开孔走线。

所述开发板10位于装置底座1的左下角位置，一方面尽可能减小开发板10与各个需要接线的部件间的距离，方便接线；另外一方面，考虑到开发板10需要外接电源，因此开发板10需要沿着装置底座1边缘安装。除此之外开发板10上的电源接口应超出装置底座1边界；且由于本发明测试装置考虑到整体装配后携带及操作方便，在整体装配后可固定于模块工具箱内，打开箱体即可进行操作，因此开发板10的布局应根据各部分具体位置以及工具箱箱体壁面具有一定厚度，并考虑插电方便等实际应用问题具体设计。

上述调频装置8装配槽、右上方的水箱6装配槽内分别装配调频装置8、水箱6，至此装置底座1上表面设备装配完毕，在检测装配稳定性之后，安装连接轴组件12进行中板2的安装。

如图5所示，所述连接轴组件12包含连接轴1201和连接轴螺纹帽1202，该组件实现装置底座1与中板2间的分层、固定的作用。其中连接轴1201具有中间圆柱端，底端长螺纹段与顶端短螺纹段，两端螺纹端采用公制螺纹M12*1.5(mm)。连接轴1201通过底端长螺纹段与连接轴装配孔间螺纹连接，通过底端长螺纹段与中间圆柱端间形成的台肩定位。中板2与装置底座1长宽相等，与装置底座1间上下重叠设置，通过在三个连接轴1201位置开设的通孔，套于三个连接轴1201的中间圆柱段上，通过中间圆柱端轴向上设计的台肩定位，使中板2顶面与中间圆柱段顶端齐平。在中板2定位后通过在顶端短螺纹段上螺纹安装相同规格的连接轴1201螺帽，实现中板2与装置底座1间的固定。同时在中板2上，位于调频装置8、变频风机组件3、显示屏组件9、开发板10、水箱6与电阻式旋钮4的装配槽位置开口，供对应设备穿过暴露于中板2外部；其中，两块显示屏902与中板2上表面持平，由于显示屏902接线位置开有布线槽，可增加杜邦线竖直方向走线长度，因此可降低显示屏902与底板上表面间距，进而缩小中板2与底板间距，减小整体装置体积；其余各个部件的工作平面保持在中板2之上一个较合适的位置。上述结构中，通过Arduino编辑变频风机303、超声波雾化器13、以及温度、湿度传感器的运行调控程序，并根据程序引脚设定相应的连接杜邦线，杜邦线在中板2与装置底座1之间的夹层中走线，并通过束线带缠绕。中板2上方作为工作平台，通过上述各部分合理布置以及夹层内部走线方式，使工作平台上仅表现出调控部件和显示部件，进而使工作平台更加美观且操作方便；同时通过中板2还可实现各部分的定位，防止在整个装置携带过程中，各部件发生位移。

如图6、图7所示，所述波导管收纳组件7包括波导管收纳底座704、波导管收纳盒703与波导管盖701。其中，波导管收纳盒703由中板2下方嵌入中板2右下方的凹槽内，通过周向上的凸台定位；同时，波导管收纳底座704上表面与波导管收纳盒703底面贴合，通过螺钉固定于中板2下面下表面，进而将波导管收纳盒703加紧固定。上述波导管收纳盒703上表面与中板2上表面齐平，且嵌入凹槽内部分，周向上与凹槽侧壁间具有一定间隙，该间隙用于与波导管盖701周向上配合插接固定波导管盖701。波导管收纳盒703顶面设计有与波导管702外形一致的凹槽，内部放置波导管702；由于波导管702属于精密仪器，产生磕碰会造成一定实验偏差，因此在波导管收纳盒703的型槽内加装有缓冲垫片，如海绵垫等。波导管702安装完毕后，通过在波导管盖701罩住波导管702，并插入间隙内固定，实现波导管702的密封。本发明中为实现电磁波传输损耗低和抗外界干扰能力强的效果，设计波导管702时整体采用硬铝材料，内孔长度和直径分别为100mm与7mm，波导管702总长允许偏差不大于±2mm内孔直径尺寸允许偏差不大于±0.03mm，圆度误差不大于±0.03mm，直度误差每米不大于±3mm，内孔加工粗糙度要求Ra1.6；波导管702两端螺纹为英制惠氏螺纹3/8-24UNF-2A，牙型角α＝55°，每英寸牙数为24。

上述波导管702用于在其内部构建微气象环境；波导管702两端端部接口连接矢量网络分析仪，由矢量网络分析仪测试波导管702腔内环境的电磁参数(S参数)。波导管702两端外壁对侧上开设进气孔与出气孔，进气孔与出气孔为呈横纵排列的9个小孔，分别通过两根PVC管连接变频风机303出风端与进风端的风机套301端部接口，由变频风机303向波导管702内输送气体。同时在两根PVC管内部，靠近变频风机303两端风机套301接口处安装温度传感器与湿度传感器；且其中湿度传感器位于变频风机303出风端一侧。变频风机303出风端一侧的PVC管上开孔，位置靠近该PVC管与风机套301端部接口连接处，雾化器的出气管由该开口接入PVC管内。

上述圆形波导管702在工作时，由于测试电磁参数时两端与矢量网络分析仪的电缆相接的需求，导致波导管702的收纳位与工作位不兼容。对此本发明在中板2的中下侧开槽，用间隙配合的方式安装波导管支架11，具体方式为：波在中板2中下侧开设H形凹槽，同时设计波导管支架11为与H形凹槽匹配的H形柱面结构。其中H形凹槽同向两端与中板2下侧面连通，且靠近连通处的凹槽左右相对位置开有轴孔；进一步将H形波导管支架11两个末端分别置于通过连通处的凹槽内，并通过连接轴1201与各自凹槽内的轴孔连接形成转动副。由此通过绕转动副轴线逆时针转动H形波导管702，可将H形波导管702整体收纳于H形凹槽内，此时H形波导管支架11位于收纳位；当顺时针转动H形波导管702至极限位置过程中，H形波导管702旋转180度后与底板间处于平行状态，此时波导管支架11位于展开位，位于整体中板2整体尺寸以外。所述波导管支架11的两个前端设计有同轴的半圆形凹槽，凹槽半径与波导管702颈部尺寸匹配。由此波导管支架11展开到达展开位时，将波导管702由波导管收纳盒703中取出，进一步将波导管702两端颈部配合置于波导管支架11前端凹槽内，实现波导管702的支撑这种设计在充分利用空间的同时，又减小了硅胶管的弯折，提高了物料的传输效率。

所述电阻式旋钮4穿过中板2上的通孔与装置底座1上的电阻式旋钮4装配槽过盈配合固定，电阻式旋钮4圆柱侧面3根接口的排孔，分别接收超声波雾化器13上的3根引线，用作数据传输。电阻式旋钮4还连接加热装置与开发板10，用于调节系统中微气象环境的温湿度。其中加热装置安装于变频风机303出风端一侧的PVC管内部，位置靠近该PVC管与风机套301端部接口连接处。当需要调节温度时，转动旋钮，将信号反馈给开发板10，通过开发板10程序将信号给到加热装置，进行温湿度调节。

所述水箱6底部穿过中板2上开设的通孔嵌入固定于装置底座1上的水箱6装配槽。水箱6顶部安装有水箱盖5，考虑到在移动过程中漏水会造成硬件损坏等严重的后果，因此设计水箱6为圆柱形，顶端设计外螺纹与水箱盖5内螺纹配合，实现水箱6的密封；上述水箱6顶部外螺纹和水箱盖5的内螺纹均采用公制螺纹M60*1.5(mm)。在进行测试时，打开水箱盖5，将雾化器的吸水棉质棒由水箱6顶部置于水箱6内，进而雾化器由水箱6内吸水并进行雾化产生雾化气，雾化气进入PVC管内，进而调节由变频风机303向波导管702内通入的气体湿度。

所述调频装置8连接开发板10和变频风机303，间接调控pvc硅胶管内气体材料的流动速度。

所述开发板10连接显示屏902、温度传感器、湿度传感器以及变频风机303旋钮、加热装置与雾化器，用于写入变频风机303、加热装置和雾化器的控制程序，实现变频风机303风力调节，以及波导管702内温湿度调节，并接受微气象环境的温湿度信息，分别显示在两块显示屏902上。

上述结构的便携式微气象电磁参数测试装置的使用流程如下：

步骤1：按图纸组合装配体，检查各部件安装合理性、稳定性(保证组装后置于箱体内不用由于携带产生的振动倒置各部分移位)。

步骤2：安装开发板10，外接电源，并按照Arduino源代码引脚设置接线，分别接入温度传感器、湿度传感器、加热装置、超声波雾化器13、电阻式旋钮4以及显示屏组件9。

步骤3：将圆形波导管702两端分别与矢量网络分析仪输入端和输出端通过电缆相连；并通过两根PVC管连接风机与波导管702；进一步打开水箱6盖，将雾化器的吸水棉质棒置于水箱6的水面下。

步骤4：设备通电，超声波雾化器13雾化水蒸气通入风机，根据变频风机303两端的pvc硅胶管中嵌入的温湿度传感器DHT11获得通入波导管702内气体的温湿度信息，通过调节变频风机303的功率和超声波雾化器13的雾化强度，以及加热装置的温度来调整波导内的气体温湿度；待波导管702测试环境趋于稳定，在矢量网络分析仪上从波导管702输入端输入电磁波脉冲，进行输入电磁波与输出电磁波对比分析，探究不同温湿度下空气对电磁波特性影响。

由于波导管702与变频风机303内部湿度要求严格，超声波雾化器13长期通电，会在两者内壁液化形成水滴，干扰实验。将构成回路的pvc硅胶管适当倾斜，有效避免两者内壁积水，液体经重力通过pvc硅胶管流入水箱6回收，保证回路内部湿度的稳定。

实施例：

本实施例描述的是本发明便携式微气象电磁参数测试装置的结构设计和程序设计，在25℃、101kPa的地表环境条件下，对电磁波参数测试实验的前期模型搭建和调校流程，如图8所示。

步骤1：设计装置各零部件，制定装配顺序，模拟装配。

步骤2：安装调频装置8与55mm*55mm*107mm的50pvc变频风机303，风机最大风量36m

步骤3：超声波雾化器13用盘头螺钉安装在靠近变频风机303进气口的装置底座1上表面，以每秒万次的超声波高频振荡，把水蒸气雾化为1微米到5微米的超微粒子。

步骤4：将UNO开发板10安装在装置底座1的左下侧边缘，突出的电源接口外接电源，此外UNO开发板10中的单片机具有14个数字引脚和6个模拟引脚，其中3，5，6，9，10，11六个引脚可以用做PWM脉冲引脚，可以依次控制电压中断，优秀的引脚数量还可以添加不同的扩展板对应不同的需求，具有良好的扩展性。

步骤5：在装置底座1中下侧安装显示屏组件9，显示屏902分为温度、湿度两块显示屏902，该显示屏902采用128*64的OLED显示屏902，在Arduino IDE中有很好的兼容性，可以根据需求对板面个性化设置。

步骤6：在装置底座1圆槽中安装50mm口径的水箱6，水箱6与水箱盖5进行M60*1.5(mm)的内外螺纹配合；用连接轴1201组件12螺纹连接实验装置箱体、装置底座1和中板2并固定。

步骤7：在中板2右下侧依次安装波导管收纳底座704、波导管收纳盒703、圆形波导管702与波导管盖701；在中板2中下侧间隙配合安装波导管702支架11，该零件运动范围为0°到180°。

步骤8：安装电阻式旋钮4于装置底座1右上侧，分别接上和超声波雾化器13配对的3根引线，在开发板10上测定与Arduino相连的滑动电阻的阻值，从而推算出实验员需要的湿度值，然后选择该幅值为500R的电阻式旋钮4，调节阻值大小来调节超声波雾化器13的开闭时间长度，间接调控管内湿度值。

步骤9：圆形波导管702两端用电缆连接矢量网络分析仪的输入输出端口，在2条pvc硅胶管中放入温湿度传感器，圆形波导管702的进出气孔用pvc硅胶管连接变频风机303两端，打开水箱盖5，将雾化器的吸水棉质棒置于水箱6的水面下。其中，温湿度传感器DHT11体积小于硅胶管，温湿度工作范围为5-95％RH、-20-+60℃，供电电压3.3-5v，温湿度检测精度为1％RH，0.1℃，而且包含于Arduino IDE数据库。

步骤10：检查零件装配，检查开发板10与其他硬件接线，检查硅胶管是否漏气、波导管702是否因安装问题产生显著电磁波损耗。

步骤11：雾化器工作输入，变频风机303持续通电，一定温湿度的气体传输至波导管702。烧入Arduino程序，在上位机窗口或者显示屏902观察温湿度数据，根据偏差调节参数至合理工作范围，待波导管702腔内环境稳定，即可开始后续电磁波参数测试。

本发明便携式微气象电磁参数测试装置，除了设计新型圆形波导管和制定电磁参数测试方法，还为设备的各个部件做功能性结构搭建，把零散的实验器件归纳，有序整合至统一的工作台，最后整体装配至模块工具箱。同时本发明兼具了便携、美观、系统化等特性，还解决了测试精度、内外部磁干扰和电磁波传输损耗等技术问题。