3D打印气象站：低成本、高精度预测气象信息，实现防灾减灾！

2022年5月10日，南极熊获悉，大气研究大学联合会 (UCAR) 正在进行一个名为3D-PAWS（3D 打印自动气象站）的项目，该项目使用3D打印的工具和仪器，以便及早发现恶劣天气。此团队展示了他们的最新成果，下面跟随南极熊一起看下去吧！



为什么建造气象站？
气象站包括各种仪器和传感器，旨在监视影响天气预报的因素，包括温度，湿度，风速和太阳辐射。气象站不仅是新闻频道的重要工具，还促进了农业和可再生能源利用等领域的研究。不过，商用设备的生产成本可能高达数千美元，从而在资金紧张时限制了它们的可访问性。这就是3D打印的用武之地，3D打印可以使成本降低，使偏远地区也能用上气象站。

3D—PAWS
3D-PAWS 项目于5年前提出，目标是更易获得天气数据。该计划的项目负责人之一 Paul Kucera 指出：“我们的目标是让最终用户能够使用精确测量的传感器，而不是购买可能花费数千美元的商业传感器。降低工具总成本的一种方法是通过增材制造。该项目从安装在气象站开始，可以获取更多有关湿度、降水、压力甚至温度的数据。巴巴多斯、肯尼亚、乌干达和赞比亚等地区已经配备了 3D-PAWS。


△安装在赞比亚的 3D 打印传感器（图片来源：3D-PAWS）

超声波传感器
在这些气象站取得初步成功后，3D-PAWS现在专注于研究：遥感。目标是设计一个系统，可以检测流量变化、海岸上突然上升的风暴潮以及偏远山区的降雪。3D-PAWS 仪器的机械工程师和设计师 Martin Steinson 补充说：“我们正向着目标不断前进，希望将能通过气象站和流量测量仪为人们日常生活提供有用的气象信息，使人们做好预防，避免受到恶劣天气的影响。” 就这样，超声波传感器诞生了！它由聚合物3D打印的外壳进行保护。目前，项目成员未公开此超声波传感器的具体信息以及3D打印的方法。

但他们提供了此传感器的测试结果。它可以更精确地预测洪水和融雪径流。具体来说，它的原理是使用声波发送和接收脉冲，并测量在水面上发送和接收之间所用的时间，以测量水位的变化。研发人员希望最终的传感器易于安装、处理和维修，并希望任何偏远地区都可以使用和维护其检测系统。研究人员已经进行了几次现场测试：在两周内，传感器测量到了5.4米的降雪并且没有受到损坏，多么的不可思议！


△安装在多米尼加共和国的传感器以及传感器成功安装以测试其功能

3D打印传感器VS商业传感器
早在2020年，根据美国大气研究大学联合会（UCAR）3D 打印自动气象站倡议的计划和指导，研究人员就利用 3D 打印部件和低成本传感器建造了一个气象站，与俄克拉荷马 Mesonet 站一起部署，将其性能与标准商业传感器进行比较并确定其使用寿命和耐用性。研究人员进行了为期 8 个月的实地部署，收集了温度、相对湿度、大气压力、风速和风向、太阳辐射和降水量测量值。除风向外，测量结果与商业传感器相当。由于一些传感器和 3d 打印部件在部署期间中出现了故障，该系统的寿命和耐久性各不相同。总体而言，这些低成本传感器可与更昂贵的商业传感器相媲美，并且可以作为短期部署资源有限的研究人员和教育工作者的可行替代方案。通过适当的维护和定期更换传感器和 3d 打印部件，长期部署是可行的。


△3D打印传感器与商业传感器的比较数据