3D打印氣象站：低成本、高精度預測氣象信息，實現防災減災！

2022年5月10日，南極熊獲悉，大氣研究大學聯合會 (UCAR) 正在進行一個名為3D-PAWS（3D 打印自動氣象站）的項目，該項目使用3D打印的工具和儀器，以便及早發(fā)現惡劣天氣。此團隊展示了他們的最新成果，下面跟隨南極熊一起看下去吧！



為什么建造氣象站？
氣象站包括各種儀器和傳感器，旨在監(jiān)視影響天氣預報的因素，包括溫度，濕度，風速和太陽輻射。氣象站不僅是新聞頻道的重要工具，還促進了農業(yè)和可再生能源利用等領域的研究。不過，商用設備的生產成本可能高達數千美元，從而在資金緊張時限制了它們的可訪問性。這就是3D打印的用武之地，3D打印可以使成本降低，使偏遠地區(qū)也能用上氣象站。

3D—PAWS
3D-PAWS 項目于5年前提出，目標是更易獲得天氣數據。該計劃的項目負責人之一 Paul Kucera 指出：“我們的目標是讓最終用戶能夠使用精確測量的傳感器，而不是購買可能花費數千美元的商業(yè)傳感器。降低工具總成本的一種方法是通過增材制造。該項目從安裝在氣象站開始，可以獲取更多有關濕度、降水、壓力甚至溫度的數據。巴巴多斯、肯尼亞、烏干達和贊比亞等地區(qū)已經配備了 3D-PAWS。


△安裝在贊比亞的 3D 打印傳感器（圖片來源：3D-PAWS）

超聲波傳感器
在這些氣象站取得初步成功后，3D-PAWS現在專注于研究：遙感。目標是設計一個系統，可以檢測流量變化、海岸上突然上升的風暴潮以及偏遠山區(qū)的降雪。3D-PAWS 儀器的機械工程師和設計師 Martin Steinson 補充說：“我們正向著目標不斷前進，希望將能通過氣象站和流量測量儀為人們日常生活提供有用的氣象信息，使人們做好預防，避免受到惡劣天氣的影響。” 就這樣，超聲波傳感器誕生了！它由聚合物3D打印的外殼進行保護。目前，項目成員未公開此超聲波傳感器的具體信息以及3D打印的方法。

但他們提供了此傳感器的測試結果。它可以更精確地預測洪水和融雪徑流。具體來說，它的原理是使用聲波發(fā)送和接收脈沖，并測量在水面上發(fā)送和接收之間所用的時間，以測量水位的變化。研發(fā)人員希望最終的傳感器易于安裝、處理和維修，并希望任何偏遠地區(qū)都可以使用和維護其檢測系統。研究人員已經進行了幾次現場測試：在兩周內，傳感器測量到了5.4米的降雪并且沒有受到損壞，多么的不可思議！


△安裝在多米尼加共和國的傳感器以及傳感器成功安裝以測試其功能

3D打印傳感器VS商業(yè)傳感器
早在2020年，根據美國大氣研究大學聯合會（UCAR）3D 打印自動氣象站倡議的計劃和指導，研究人員就利用 3D 打印部件和低成本傳感器建造了一個氣象站，與俄克拉荷馬 Mesonet 站一起部署，將其性能與標準商業(yè)傳感器進行比較并確定其使用壽命和耐用性。研究人員進行了為期 8 個月的實地部署，收集了溫度、相對濕度、大氣壓力、風速和風向、太陽輻射和降水量測量值。除風向外，測量結果與商業(yè)傳感器相當。由于一些傳感器和 3d 打印部件在部署期間中出現了故障，該系統的壽命和耐久性各不相同。總體而言，這些低成本傳感器可與更昂貴的商業(yè)傳感器相媲美，并且可以作為短期部署資源有限的研究人員和教育工作者的可行替代方案。通過適當的維護和定期更換傳感器和 3d 打印部件，長期部署是可行的。


△3D打印傳感器與商業(yè)傳感器的比較數據