本发明属于大气环境测试用装置领域，具体涉及高空布置的轻质传感器的自动升降和固定系统。
背景技术：
在沙漠化和全球变暖的大背景下，科研人员对沙漠化成因，风雪灾害，粉尘扩散等进行了深刻而广泛的研究。然而大气环境作为最重要的影响因素之一，是研究者们主要关切的对象。在当前近地表大气环境的野外高空现场测试中，高空传感器的准确高度安装与固定存在高危险性、而且安装效率低下，造成了近地表大气层结物理参数的高空准确测量的高成本性，高危险性。当前的近地表大气层结物理参数的研究主要依靠气象观测塔、观测站，卫星遥感等技术手段获得。但是观测塔、观测站位置固定，无法实时得到具体研究点的近地表大气层结物理参数的廓线，且直接影响大气近地表流场结构；卫星遥感技术无法准确获取近地表沿高程的大气层结物理参数。因此还需要安装一些测量物理参数的传感器。基于野外现场测试的经验，在尽可能减少对流场结构影响的条件下，为了降低实验人员的高空安装风险，提高高空传感器的安装效率，急需提供可移动安装的高空布置传感器的自动升降和固定系统。
技术实现要素：
本发明提供一种高空布置传感器的自动升降和固定系统，以解决目前近地表大气层结物理参数高空传感器安装的高风险和安装低效问题。目的是保证科研人员的安全，提高野外大气近地表层结物理参数空间廓线准确测量与实验的效率。
本发明采用的技术方案是：包括动力组成单元，动力传递单元，控制单元，高空传感器自动夹具单元和传感器夹具安装立杆单元，其中传感器夹具安装立杆单元、动力传递单元分别与动力组成单元的减震支撑底座固定连接，动力传递单元通过联轴器与异步交流电机连接，控制单元与动力传递单元的钢丝绳箱体外部固定连接，高空传感器自动夹具单元装夹在传感器夹具安装立杆单元的立杆上。
所述动力组成单元包括减震支撑底座，异步交流电机，电机支架，安装螺栓，电源输入线路，电源输入线护套，其中电机支架通过螺栓与减震支撑底座固定连接，异步交流电机与电机支架上方固定连接，电源输入线路为双绞线、与异步交流电机的电源输入端连接，电源输入线护套套接在电源输入线路外部。
所述动力传动单元包括减速器，减速器固定螺钉，联轴器，钢丝绳箱体，箱体连接螺钉，其中钢丝绳箱体通过箱体连接螺钉与动力组成单元的减震支撑底座固定连接，减速器固定螺钉用于减速器减速器的壳体与异步交流电机的连接，联轴器作为动力连接单元，用于减速器与钢丝绳箱体中的缠绕钢丝绳的辊轴连接。
所述高空传感器自动夹具单元包括夹具外壳一，夹具外壳二，夹具内套，夹具外套，异型调节螺钉，夹具主动推杆，夹具主动推杆复位弹簧，夹具主动推杆减震弹簧，夹具主推自锁器，遥控推力电磁铁，钢丝绳的固定夹，传感器夹的固定夹，其中夹具内套、夹具外套安装在夹具外壳一和夹具外壳二内，夹具外壳一和夹具外壳二通过相互接触面的磁体吸合在一起，型调节螺钉与夹具外套螺纹连接、前端与夹具内套顶接，遥控推力电磁铁壳体与夹具外套固定连接，遥控推力电磁铁与夹具主动推杆底部顶接，夹具主动推杆顶部与夹具内套顶接，夹具主动推杆复位弹簧套接在夹具主动推杆的上部，夹具主动推杆减震弹簧套接在夹具主动推杆的下部，夹具主推自锁器安装在遥控推力电磁铁的壳体内，钢丝绳的固定夹与夹具外壳二固定连接，传感器夹的固定夹与夹具外壳一固定连接。
所述夹具内套采用弹簧片。
所述夹具主推自锁器包括自锁弹簧座、自锁弹簧、自锁旋转摇杆轴和自锁旋转摇杆，其中自锁旋转摇杆与自锁旋转摇杆轴转动连接，自锁弹簧一端安装在自锁弹簧座上、另一端与自锁旋转摇杆上部顶接，自锁旋转摇杆下端与遥控推力电磁铁顶接。
所述传感器夹具安装立杆单元包括基座，立杆，地脚螺栓组，钢丝绳，滑轮组，雨帽，雨帽拉线孔，钢丝绳连接接口，其中立杆与基座通过地脚螺栓组固定连接，雨帽与立杆顶部固定连接，滑轮组与雨帽下方固定连接，雨帽上有雨帽拉线孔，立杆上部和底部有钢丝绳孔，钢丝绳绕接在滑轮组上。
本发明通过高空精确安装测试传感器的实际经验，采用间接安装方式，提出一种新安装模式：首先将原装传感器通过自行设计的固定夹装在高空传感器自动夹具单元上，然后再将高空传感器自动夹具安装在高空立杆上，最后通过动力单元，动力传动单元或手动外力把传感器送至精确高空位置，实现大气近地表边界层物理参数廓线的精确测量。
本发明的优点是结构新颖，相对于现有的安装模式，避免了研究人员高空作业的风险；设计了高空传感器自动夹具单元(并给出设计原理)，提高了传感器的装夹效率，降低时间成本，提高了经济效率；采用手动和自动两种模式，为野外试验提供了灵活的选择性。
本发明所提出的一种高空布置传感器的自动升降和固定系统原理可靠，操作方便且便携能力强，易于推广。
本发明实用性较高，使用范围较广，可以给各种大气近地层结物理参数传感器的高空自动固定提供了便利，在很大程度上节省了人力与物力，降低了试验操作人员高空作业的风险，在实际生产与应用中可大大提高工作效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明动力组成单元主视图；
图3是本发明动力组成单元左视图；
图4是本发明动力传动系统和控制系统安装示意图；
图5是本发明动力传动系统安装示意图；
图6是本发明控制系统电气原理图；
图7是本发明高空传感器自动夹具单元的结构示意图；
图8是本发明高空传感器自动夹具单元的左视图；
图9是本发明高空传感器自动夹具单元的自动装夹结构示意图；
图10是图9的ii部放大图；
图11是图10的iii部放大图；
图12是本发明高空传感器自动夹具单元轴测图；
图13是本发明高空传感器自动夹具为未装夹状态图；
图14是本发明高空传感器自动夹具为装夹预紧状态图；
图15是本发明传感器夹具安装立杆单元的结构示意图；
图16是本发明传感器夹具安装立杆单元的右视图；
图17是本发明传感器夹具安装立杆单元的俯视图。
具体实施方式
如图1所示，包括动力组成单元1，动力传递单元2，控制单元3，高空传感器自动夹具单元4和传感器夹具安装立杆单元5，其中传感器夹具安装立杆单元5、动力传递单元2分别与动力组成单元1的减震支撑底座1-01固定连接，动力传递单元2通过联轴器2-03与异步交流电机1-02连接，控制单元3与动力传递单元2的钢丝绳箱体2-04外部固定连接，高空传感器自动夹具单元4装夹在传感器夹具安装立杆单元5的立杆5-02上。
动力组成单元1为高空传感器自动夹具单元4提供上下升降的动力，动力传递单元2实现了动力传递和减速，控制单元3则实现高空传感器自动夹具单元4的精确升降控制，高空传感器自动夹具单元4则实现三个功能：一是对传感器固定，二是自动自锁装夹，三是与钢丝绳连接，进而实现传感器的上下升降，自动装夹；传感器夹具安装立杆单元5是整个系统的装夹受体，高空传感器自动夹具单元4装夹在立杆上，通过钢丝绳使得各个传感器之间连接并实现上下精准升降。
如图2、3所示，所述动力组成单元1包括减震支撑底座1-01，异步交流电机1-02，电机支架1-03，安装螺栓1-04，电源输入线路1-05，电源输入线护套1-06，其中电机支架1-03通过螺栓1-04与减震支撑底座1-01固定连接，异步交流电机1-02与电机支架1-03上方固定连接，电源输入线路1-05为双绞线、与异步交流电机1-02的电源输入端连接，电源输入线护套1-06套接在电源输入线路1-05外部；
减震支撑底座1-01起支承作用，同时兼具异步交流电机减震作用，异步交流电机1-02为高空布置传感器的自动升降提供动力源；电机支架1-03实现对异步交流电机的支撑，安装螺栓1-04实现电机支架1-03与减震支撑底座1-01的连接；电源输入电路1-05为双绞线，为异步交流电机1-02的电源输入端，在野外实验时，可通过发电机配合稳压器为异步交流电机提供稳定的电源；而电源输入线护套1-06，是为了保证恶劣环境下的用电安全。
如图4、5所示，动力传动单元2包括减速器2-01，减速器固定螺钉2-02，联轴器2-03，钢丝绳箱体2-04，箱体连接螺钉2-05，其中钢丝绳箱体2-04通过箱体连接螺钉2-05与动力组成单元1的减震支撑底座1-01固定连接，减速器固定螺钉2-02用于减速器减速器2-01的壳体与异步交流电机的连接，联轴器2-03作为动力联接单元，用于减速器2-01与钢丝绳箱体2-04中的缠绕钢丝绳的辊轴连接；
减速器2-01实现电机减速，增加扭矩；减速器固定螺钉2-02实现减速器壳体与电机连接，动力传动采用键连接；联轴器2-03作为动力联接单元，实现减速器2-01与钢丝绳箱体2-04中的缠绕钢丝绳的联结，当实验场地无电源供给时，可以断开联轴器2-03，通过手动拉动钢丝绳使得高空传感器自动夹具单元沿着立杆上升、下降；
如图6所示，给出控制单元3的电气控制原理，这里不包含电气硬件安装及具体型号：其中包括plc工业控制器、变频器、熔断器fu、隔离开关qs、接触器km1、指示灯、启动开关i0.0、线位移传感器ds、dc24v电源和软继电器ka，其中熔断器fu起安全保护作用；隔离开关qs控制手动电路通断(方便野外紧急工况下断电)；接触器km1控制电机电路通断，控制系统可实现异步交流电机的半闭环控制，其工作原理为：在钢丝绳箱体2-04出口处安装线位移传感器ds作为位移反馈信号源，按照电气控制原理图接好线路，给定位移预定值，闭合电源隔离开关qs,接触器km1，按下启动开关i0.0，使得变频器给出电机的控制信号，使得钢丝绳精确匀变速上升或下降，直到钢丝绳运动到预定位置停止电机，plc可通过编程使得电机工作时，指示灯一直亮着，用来指示工作状态。
如图7～12所示，所述高空传感器自动夹具单元4包括夹具外壳一4-01，夹具外壳二4-02，夹具内套4-03，夹具外套4-04，异型调节螺钉4-05，夹具主动推杆4-06，夹具主动推杆复位弹簧4-07，夹具主动推杆减震弹簧4-08，夹具主推自锁器4-09，遥控推力电磁铁4-10，钢丝绳的固定夹4-11，传感器夹的固定夹4-12，其中夹具内套4-03、夹具外套4-04安装在夹具外壳一4-01和夹具外壳二4-02内，夹具外壳一4-01和夹具外壳二4-02通过相互接触面的磁体吸合在一起，型调节螺钉4-05与夹具外套4-04螺纹连接、前端与夹具内套4-03顶接，遥控推力电磁铁4-10壳体与夹具外套4-04固定连接，遥控推力电磁铁4-10与夹具主动推杆4-06底部顶接，夹具主动推杆4-06顶部与夹具内套4-03顶接，夹具主动推杆复位弹簧4-07套接在夹具主动推杆4-06的上部，夹具主动推杆减震弹簧4-08套接在夹具主动推杆4-06的下部，夹具主推自锁器4-09安装在遥控推力电磁铁4-10的壳体内，钢丝绳的固定夹4-11与夹具外壳二4-02固定连接，传感器夹的固定夹4-12与夹具外壳一4-01固定连接，
所述夹具内套4-03采用弹簧片。
夹具外壳一4-01和夹具外壳二4-02共同组成了传感器自动夹具单元的保护，且夹具内套4-03实现了传感器自动夹具单元的定位和夹紧接触；而且夹具内套4-03属于弹簧性质，自然状态下时弹开的，方便夹具单元与立杆配合；夹具外套4-04是强刚性的，电磁铁的有效最大弹力由夹具外套刚度决定；异型调节螺钉4-05是用来调节夹具内套的开度，降低电磁铁的推程；夹具主动推杆4-06是高空传感器自动夹具的力传递单元，一端与夹具内壳接触，另一端与遥控推力电磁铁接触；夹具主动推杆复位弹簧4-07实现夹具主动推杆的复位；夹具主动推杆减震弹簧4-08防止电磁铁推力过大造成的推力冲击，降低高空传感器自动夹具单元的使用寿命；夹具主推自锁器4-09是为了实现电磁推力磁铁夹紧后自锁，防止电磁推力磁铁失电后退回，从而影响中途试验进程；
如图11所示，所述夹具主推自锁器4-09包括自锁弹簧座4-09-01、自锁弹簧4-09-02、自锁旋转摇杆轴4-09-03和自锁旋转摇杆4-09-04，其中自锁旋转摇杆4-09-04与自锁旋转摇杆轴4-09-03转动连接，自锁弹簧4-09-02一端安装在自锁弹簧座4-09-01上、另一端与自锁旋转摇杆4-09-04上部顶接，自锁旋转摇杆4-09-04下端与遥控推力电磁铁4-10顶接。
当遥控推力电磁铁作用时，自锁旋转摇杆4-09-04绕着自锁旋转摇杆轴4-09-03逆时针旋转压缩自锁弹簧4-09-02使得夹具主推自锁器失去自锁效果，当遥控推力电磁铁退回时，自锁弹簧4-09-02推动自锁旋转摇杆4-09-04绕着自锁旋转摇杆轴4-09-03顺时针旋转从而使得夹具主推自锁器获得自锁效果，这就是自锁原理；推动遥控推力电磁铁4-10是高空传感器自动夹具单元的主动力，由干电池组供电，可实现夹具单元与立杆之间的夹紧，而且具有无限信号接收发送功能，可收发夹紧状态信号。
对于高空传感器自动夹具单元装夹原理的设计原理：
首先考虑高空传感器自动夹具单元内套，夹具内套属于弹簧性质，自然状态下时弹开的，夹紧时夹紧力如下：
f1＝k1p(1)
式中k1为夹具单元内套弹性刚度；p为夹具单元内套夹紧总变形度。
对于高空传感器自动夹具单元夹具外套是强刚性的，受力如下：
f2＝k2ω(2)
式中k2为夹具单元外套套弹性刚度；ω为夹具单元外套夹紧总变形度。
对于遥控推力电磁铁4-10采用电磁铁为普通的直动式阀用电磁铁，其推力方程：
式中v为线圈电压；r为线圈电阻；ψ为线圈绕组匝数；δ为衔铁气隙；μ为气隙导磁系数；k1为磁感修正系数；a为衔铁有效吸合面积；a为修正系数。衔铁气隙、气隙导磁系数、磁感修正系数、衔铁有效吸合面积以及修正系数，改变这些参数在实际工程中较为复杂，一般不做变化。
由于夹具单元外套刚度远远大于内套，故可以认为外套为刚性机架，根据平衡原理：
于是电磁铁线圈的特征参数，(线圈电压；线圈电阻；线圈绕组匝数；衔铁气隙)可根据预紧力、夹具单元内套夹紧总变形度和其自身架构和安装条件确定。
对于高空传感器自动夹具单元4工作原理是：
开始状态下，高空传感器夹具单元4状态松开的，如图13所示。松开异型调节螺钉4-05，使得电磁铁处于失电状态，此时，由于夹具主推自锁器4-09作用，使得夹具主动推杆4-06处于自锁状态。当把传感器夹具单元4装在立杆单元上时(如图2)，调整异型调节螺钉4-05处于预紧状态；传感器夹具单元送至高空时(如图7)，通过遥控器给电磁铁4-10发送得电信号，电磁铁推动夹具主动推杆4-06使得夹具单元锁紧并自锁，此时状态如图14所示。
如图15～17所示，传感器夹具安装立杆单元5包括基座5-01，立杆5-02，地脚螺栓组5-03，钢丝绳5-04，滑轮组5-05，雨帽5-06，雨帽拉线孔5-07，钢丝绳连接接口5-08，其中立杆5-02与基座5-01通过地脚螺栓组5-03固定连接，雨帽5-06与立杆5-02顶部固定连接，滑轮组5-05与雨帽5-06下方固定连接，雨帽5-06上有雨帽拉线孔5-07，立杆5-02上部和底部有钢丝绳孔5-08，钢丝绳5-04绕接在滑轮组5-05上。
基座5-01实现了立杆的固定，并通过地脚螺栓组5-03实现基座5-01与立杆5-02的连接，立杆5-02是高空传感器夹具自动夹具单元的空间排布受体单元，滑轮组5-05实现钢丝绳的换向，同时减小了升降钢丝绳5-04的磨损，雨帽5-06在立杆顶端，防止滑轮组5-05被雨淋生锈，假设传感器架设高度非常高，则需要拉线钢丝(野外试验自备)、地锚(野外试验自备)实现立杆的野外辅助固定，通过在软质地面(比如沙漠、山区等地)打地锚(野外试验自备)，立杆和地锚之间通过拉线钢丝(野外试验自备)连接，钢丝拉线一端连接雨帽拉线孔5-07，另一端连接地锚孔，钢丝绳5-04通过钢丝绳箱体2-04出口、钢丝绳连接断接口5-08与滑轮组5-05绕接。
在实际工作时，首先按照图15～17安装好传感器夹具安装立杆单元5作为受体，并根据实验条件确定是否打地锚拉线，如需要，则根据具体实验条件，打好地锚固定好传感器夹具安装立杆单元5。
其次，按照图4-5安装动力组成单元1，动力传递单元2，控制单元3，并把它们按照图1进行总装。
再次，按照图12安装高空传感器夹具单元的装夹部分，按照图7装好夹具外壳一、夹具外壳二、钢丝绳固定夹4-11和传感器夹的固定夹4-12，夹具外壳一4-01和夹具外壳二4-02共同组成了传感器自动夹具单元的保护；
再次，把上次装好的高空传感器夹具单元4(如图7-8)按照图1装配。
最后，根据野外试验环境确定采用自动升降模式还是手动升降模式，若是手动模式，通过控制系统控制电机启动，在动力的驱动下使得钢丝绳拉着高空传感器夹具单元4沿着安装立杆5的立杆5-02移动至高空精确位置，通过遥控器给电磁铁4-10发送锁紧信号，使得所有高空传感器夹具单元带着所需测试物理参数传感器在立杆单元锁紧，最终状态如图1所示，进行试验；若是手动状态下，断开动力传递单元2的联轴器2-03，装好高空传感器夹具单元4，手动拉动钢丝绳(沿着滑轮组5-05)使得高空传感器夹具单元带着传感器至目标测试高度，锁定钢丝绳5-04保证测试传感器在高程上的定位，如图1状态所示，此时通过遥控器给电磁铁4-10发送锁紧信号，使得所有高空传感器夹具单元带着所需测试物理参数传感器在立杆单元锁紧，最后进行试验；
实验完毕后，拆卸一种高空布置传感器的自动升降和固定系统，并实现定期维护。
1.一种高空布置传感器的自动升降和固定系统，其特征在于：包括动力组成单元，动力传递单元，控制单元，高空传感器自动夹具单元和传感器夹具安装立杆单元，其中传感器夹具安装立杆单元、动力传递单元分别与动力组成单元的减震支撑底座固定连接，动力传递单元通过联轴器与异步交流电机连接，控制单元与动力传递单元的钢丝绳箱体外部固定连接，高空传感器自动夹具单元装夹在传感器夹具安装立杆单元的立杆上。
2.根据权利要求1所述的一种高空布置传感器的自动升降和固定系统，其特征在于：所述动力组成单元包括减震支撑底座，异步交流电机，电机支架，安装螺栓，电源输入线路，电源输入线护套，其中电机支架通过螺栓与减震支撑底座固定连接，异步交流电机与电机支架上方固定连接，电源输入线路为双绞线、与异步交流电机的电源输入端连接，电源输入线护套套接在电源输入线路外部。
3.根据权利要求1所述的一种高空布置传感器的自动升降和固定系统，其特征在于：所述动力传动单元包括减速器，减速器固定螺钉，联轴器，钢丝绳箱体，箱体连接螺钉，其中钢丝绳箱体通过箱体连接螺钉与动力组成单元的减震支撑底座固定连接，减速器固定螺钉用于减速器减速器的壳体与异步交流电机的连接，联轴器作为动力连接单元，用于减速器与钢丝绳箱体中的缠绕钢丝绳的辊轴连接。
4.根据权利要求1所述的一种高空布置传感器的自动升降和固定系统，其特征在于：所述高空传感器自动夹具单元包括夹具外壳一，夹具外壳二，夹具内套，夹具外套，异型调节螺钉，夹具主动推杆，夹具主动推杆复位弹簧，夹具主动推杆减震弹簧，夹具主推自锁器，遥控推力电磁铁，钢丝绳的固定夹，传感器夹的固定夹，其中夹具内套、夹具外套安装在夹具外壳一和夹具外壳二内，夹具外壳一和夹具外壳二通过相互接触面的磁体吸合在一起，型调节螺钉与夹具外套螺纹连接、前端与夹具内套顶接，遥控推力电磁铁壳体与夹具外套固定连接，遥控推力电磁铁与夹具主动推杆底部顶接，夹具主动推杆顶部与夹具内套顶接，夹具主动推杆复位弹簧套接在夹具主动推杆的上部，夹具主动推杆减震弹簧套接在夹具主动推杆的下部，夹具主推自锁器安装在遥控推力电磁铁的壳体内，钢丝绳的固定夹与夹具外壳二固定连接，传感器夹的固定夹与夹具外壳一固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种高空布置传感器的自动升降和固定系统，其特征在于：所述夹具内套采用弹簧片。
6.根据权利要求4所述的一种高空布置传感器的自动升降和固定系统，其特征在于：所述夹具主推自锁器包括自锁弹簧座、自锁弹簧、自锁旋转摇杆轴和自锁旋转摇杆，其中自锁旋转摇杆与自锁旋转摇杆轴转动连接，自锁弹簧一端安装在自锁弹簧座上、另一端与自锁旋转摇杆上部顶接，自锁旋转摇杆下端与遥控推力电磁铁顶接。
7.根据权利要求1所述的一种高空布置传感器的自动升降和固定系统，其特征在于：所述传感器夹具安装立杆单元包括基座，立杆，地脚螺栓组，钢丝绳，滑轮组，雨帽，雨帽拉线孔，钢丝绳连接接口，其中立杆与基座通过地脚螺栓组固定连接，雨帽与立杆顶部固定连接，滑轮组与雨帽下方固定连接，雨帽上有雨帽拉线孔，立杆上部和底部有钢丝绳孔，钢丝绳绕接在滑轮组上。
技术总结