淺談自動雪深儀結(jié)構(gòu)原理及維護(hù)應(yīng)用

摘 ?要：介紹雪深觀測儀的結(jié)構(gòu)與原理，闡明其應(yīng)用范圍及意義，講述儀器維護(hù)與現(xiàn)場校準(zhǔn)工作，指出雪深儀不僅減少臺站觀測人員的工作量，還進(jìn)一步提高觀測質(zhì)量和觀測效率，為防災(zāi)減災(zāi)及“三農(nóng)”氣象服務(wù)等工作提供更多有價值的氣象信息和觀測產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：雪深儀;結(jié)構(gòu)原理;維護(hù);應(yīng)用

雪深（積雪深度）觀測是地面氣象觀測的主要項(xiàng)目之一，利用以超聲波測距或激光測距為原理的觀測設(shè)備開展雪深實(shí)時自動觀測，不僅適合在各種苛刻環(huán)境的條件下進(jìn)行雪深測量，還具有高可靠性、高準(zhǔn)確性、易使用、易維護(hù)等特點(diǎn)，能夠有效提高雪深觀測的時效性和準(zhǔn)確性，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源調(diào)配、交通運(yùn)輸、氣象監(jiān)測等提供重要的基礎(chǔ)資料。

1結(jié)構(gòu)及原理

1.1結(jié)構(gòu)

雪深儀主要由測距探頭、處理控制單元和安裝支架等3個部分組成。

1.1.1測距探頭

目前國內(nèi)氣象部門使用的雪深儀所采用的測距原理為超聲波測距或激光測距。

⑴超聲波測距

超聲波測距探頭由1個收發(fā)超聲波的探頭和1個用于波速訂正的溫度傳感器組成。

⑵激光測距

激光測距探頭由1個激光收發(fā)器和1個低溫加熱模塊組成。

1.1.2處理控制單元

處理控制單元負(fù)責(zé)對測距探頭的激發(fā)控制、計(jì)算測量波速發(fā)送和接收的時差（或相位差），并對采樣樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、記錄存儲和傳輸。

1.1.3安裝支架

安裝支架用于固定測距探頭，包括設(shè)備支撐桿、探頭安裝連接件、預(yù)埋件定位板和預(yù)埋件等。支架高度可調(diào)，能滿足探頭在指定高度范圍內(nèi)進(jìn)行測量。

1.1.4附件

在雪深儀停用期間，須使用防護(hù)罩保護(hù)測距探頭。防護(hù)罩具有防水、防塵、透氣等特點(diǎn)。

在雪深儀現(xiàn)場校準(zhǔn)過程中，須使用經(jīng)計(jì)量檢定的校準(zhǔn)模塊。校準(zhǔn)模塊使用鋁合金材質(zhì)制作，經(jīng)氧化處理，表面平整光滑，不易磨損和變形。模塊分為5cm和20cm高度兩種規(guī)格，各2塊。

1.2測距原理

測距探頭是雪深儀的關(guān)鍵組成部分，是利用發(fā)射的波束（光波、聲波或電磁波）遇到障礙物反射回來的特性進(jìn)行距離差測量。目前國內(nèi)氣象部門使用的雪深儀采用超聲波測距探頭或激光測距探頭。

1.2.1聲波測距探頭

超聲波探頭由一個超聲波激發(fā)電路、機(jī)械波發(fā)生器和一個超聲波接收電路組成，實(shí)現(xiàn)電信號到超聲波能量的轉(zhuǎn)換，同時可以接收超聲波在目標(biāo)物上的反射回波，并轉(zhuǎn)換成電信號。采用時差法可計(jì)算出探頭到目標(biāo)的距離，由于超聲波受周圍環(huán)境影響較大，所以必須通過溫度補(bǔ)償、數(shù)字濾波等技術(shù)提高測量準(zhǔn)確性達(dá)毫米級。超聲波探頭安裝須保持水平，測量波束角為22°～30°，距離盲區(qū)約為50cm。

1.2.2激光測距探頭

激光探頭由高穩(wěn)定的激光發(fā)射器、接收器、前置控制器組成，采用相位法測距，用無線電波段的頻率，對激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經(jīng)往返測線所需的時間。激光探頭傾斜安裝在支撐桿上，傾斜角10°～30°，距離盲區(qū)約為10cm。

2觀測記錄

雪深儀每6秒掃描一次雪面高度，采樣一個當(dāng)前高度值，每分鐘得到10 個采樣值（采樣瞬時值）。傳感器在對每分鐘內(nèi)的采樣值進(jìn)行質(zhì)量控制后，對通過質(zhì)量控制的采樣值求平均，輸出當(dāng)前分鐘高度值，根據(jù)初始高度值和當(dāng)前高度值計(jì)算得到積雪深度值，并對積雪深度值進(jìn)行質(zhì)量標(biāo)示，計(jì)算出每分鐘的積雪深度值（瞬時值）。

（1）雪深觀測記錄，以厘米（cm）為單位，四舍五入，取整數(shù);平均雪深不足0.5cm記0;

（2）雪深儀接入現(xiàn)行自動氣象站時使用數(shù)字量輸出，以正點(diǎn)前5分鐘雪深觀測平均值作為小時正點(diǎn)觀測結(jié)果。觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式應(yīng)符合《地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)文件格式》的要求。

3維護(hù)與現(xiàn)場校準(zhǔn)

3.1維護(hù)方法

按時巡視、檢查和維護(hù)設(shè)備。

①每日對采集器工作狀態(tài)進(jìn)行檢查。

②每日檢查通信情況。

③長時間不使用觀測儀時，需切斷交流電源，斷開蓄電池連接，套上防護(hù)罩。

④激光雪深傳感器的激光等級為 2 級，長時間直視會對眼睛造成傷害。

⑤傳感器工作時，發(fā)射到測量面上的紅點(diǎn)也不應(yīng)長時間直視，以免引起可能對眼睛造成的損傷。

⑥在容易產(chǎn)生蛛網(wǎng)、污染等的場合，則需要對傳感器的波束通路進(jìn)行清潔。

⑦清潔傳感器時，應(yīng)使用超細(xì)纖維布（如擦眼鏡布、麂皮），以及中性清潔劑（如水）。

3.2現(xiàn)場校準(zhǔn)方法

雪深儀現(xiàn)場校準(zhǔn)方法如下：

①檢查儀器線路連接，確保儀器的工作狀態(tài)正常。

②調(diào)試，確認(rèn)超聲波探頭安裝水平、基準(zhǔn)面水平、測量路徑無遮擋;獲得激光探頭安裝傾角，確認(rèn)基準(zhǔn)面高度。

③使用校準(zhǔn)模塊模擬5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm高度積雪深度，用傳感器分別測量這6種高度，每種高度重復(fù)進(jìn)行3次測量，測量結(jié)果應(yīng)當(dāng)在允許誤差范圍內(nèi)。

其中：對于激光測距探頭，應(yīng)將校準(zhǔn)模塊置于激光探頭的激光測量光點(diǎn)處;對于超聲波傳感器，應(yīng)將校準(zhǔn)模塊置于探頭的正下方。

④超聲波傳感器的溫度傳感器應(yīng)按照技術(shù)要求，定期檢定。

若現(xiàn)場校準(zhǔn)結(jié)果超出最大允許誤差范圍，應(yīng)首先再次檢查確認(rèn)雪深儀探頭安裝、基準(zhǔn)面水平、測量路徑無遮擋等無誤。

4 結(jié)束語

雪深觀測儀既可以作為單獨(dú)的傳感器掛接在自動氣象站上也可以作為觀測儀獨(dú)立使用，其廣泛應(yīng)用不僅減少觀測人員的工作量，還進(jìn)一步提高觀測質(zhì)量和觀測效率，為防災(zāi)減災(zāi)及“三農(nóng)”氣象服務(wù)提供更多有價值的氣象信息和觀測產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：李繼輝（1975年10月─），大專學(xué)歷，工程師，主要研究方向：農(nóng)業(yè)氣象。