3D打印氣象站：低成本、高精度預(yù)測(cè)氣象信息，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)！

2022年5月10日，南極熊獲悉，大氣研究大學(xué)聯(lián)合會(huì) (UCAR) 正在進(jìn)行一個(gè)名為3D-PAWS（3D 打印自動(dòng)氣象站）的項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用3D打印的工具和儀器，以便及早發(fā)現(xiàn)惡劣天氣。此團(tuán)隊(duì)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(yù)報(bào)的因素，包括溫度，濕度，風(fēng)速和太陽(yáng)輻射。氣象站不僅是新聞?lì)l道的重要工具，還促進(jìn)了農(nóng)業(yè)和可再生能源利用等領(lǐng)域的研究。不過(guò)，商用設(shè)備的生產(chǎn)成本可能高達(dá)數(shù)千美元，從而在資金緊張時(shí)限制了它們的可訪問(wèn)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(yuǎn)地區(qū)也能用上氣象站。

3D—PAWS
3D-PAWS 項(xiàng)目于5年前提出，目標(biāo)是更易獲得天氣數(shù)據(jù)。該計(jì)劃的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一 Paul Kucera 指出：“我們的目標(biāo)是讓最終用戶能夠使用精確測(cè)量的傳感器，而不是購(gòu)買(mǎi)可能花費(fèi)數(shù)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(guò)增材制造。該項(xiàng)目從安裝在氣象站開(kāi)始，可以獲取更多有關(guān)濕度、降水、壓力甚至溫度的數(shù)據(jù)。巴巴多斯、肯尼亞、烏干達(dá)和贊比亞等地區(qū)已經(jīng)配備了 3D-PAWS。


△安裝在贊比亞的 3D 打印傳感器（圖片來(lái)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(xiàn)在專(zhuān)注于研究：遙感。目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)流量變化、海岸上突然上升的風(fēng)暴潮以及偏遠(yuǎn)山區(qū)的降雪。3D-PAWS 儀器的機(jī)械工程師和設(shè)計(jì)師 Martin Steinson 補(bǔ)充說(shuō)：“我們正向著目標(biāo)不斷前進(jìn)，希望將能通過(guò)氣象站和流量測(cè)量?jī)x為人們?nèi)粘Ｉ�活提供有用的氣象信息，使人們做好預(yù)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(jìn)行保護(hù)。目前，項(xiàng)目成員未公開(kāi)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(cè)試結(jié)果。它可以更精確地預(yù)測(cè)洪水和融雪徑流。具體來(lái)說(shuō)，它的原理是使用聲波發(fā)送和接收脈沖，并測(cè)量在水面上發(fā)送和接收之間所用的時(shí)間，以測(cè)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(yuǎn)地區(qū)都可以使用和維護(hù)其檢測(cè)系統(tǒng)。研究人員已經(jīng)進(jìn)行了幾次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試：在兩周內(nèi)，傳感器測(cè)量到了5.4米的降雪并且沒(méi)有受到損壞，多么的不可思議！


△安裝在多米尼加共和國(guó)的傳感器以及傳感器成功安裝以測(cè)試其功能

3D打印傳感器VS商業(yè)傳感器
早在2020年，根據(jù)美國(guó)大氣研究大學(xué)聯(lián)合會(huì)（UCAR）3D 打印自動(dòng)氣象站倡議的計(jì)劃和指導(dǎo)，研究人員就利用 3D 打印部件和低成本傳感器建造了一個(gè)氣象站，與俄克拉荷馬 Mesonet 站一起部署，將其性能與標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)傳感器進(jìn)行比較并確定其使用壽命和耐用性。研究人員進(jìn)行了為期 8 個(gè)月的實(shí)地部署，收集了溫度、相對(duì)濕度、大氣壓力、風(fēng)速和風(fēng)向、太陽(yáng)輻射和降水量測(cè)量值。除風(fēng)向外，測(cè)量結(jié)果與商業(yè)傳感器相當(dāng)。由于一些傳感器和 3d 打印部件在部署期間中出現(xiàn)了故障，該系統(tǒng)的壽命和耐久性各不相同�？傮w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(guò)適當(dāng)?shù)木S護(hù)和定期更換傳感器和 3d 打印部件，長(zhǎng)期部署是可行的。


△3D打印傳感器與商業(yè)傳感器的比較數(shù)據(jù)