常用幾種降水傳感器的工作原理分析比較

張朝明

摘 要 通過對地面氣象觀測業(yè)務(wù)中不同的降水觀測方式進(jìn)行比較，以及對業(yè)務(wù)中常用到的幾種降水傳感器工作原理進(jìn)行分析。結(jié)果表明，新型的稱重式降水傳感器運(yùn)用先進(jìn)的測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對不同形態(tài)降水的自動(dòng)觀測，彌補(bǔ)了老式降水傳感器的弊端和不足，體現(xiàn)出其在降水自動(dòng)觀測中的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞 降水觀測;降水傳感器;工作原理

引言

降水是指從天空降落到地面上的液態(tài)、固態(tài)或混合態(tài)的水，其觀測包括對降水量和降水強(qiáng)度的觀測。降水觀測是地面氣象觀測業(yè)務(wù)的主要項(xiàng)目之一，其資料的準(zhǔn)確性和完整性對于不同時(shí)效的天氣預(yù)報(bào)、全球氣候分析、預(yù)防和減少自然災(zāi)害、城市環(huán)境改善和人工影響天氣情況都有著重要的意義。

在地面氣象觀測業(yè)務(wù)中，對于降水要素的觀測由最初的人工采用雨量筒進(jìn)行降水觀測;到能夠進(jìn)行半自動(dòng)化觀測的、采用自記鐘記錄數(shù)據(jù)的虹吸式降水傳感器;到能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化觀測的、采用脈沖輸出方式向自動(dòng)站采集器傳輸數(shù)據(jù)的翻斗式降水傳感器;再到能夠智能化判斷降水發(fā)生及降水類型的、采用載荷元件測量降水值的新型稱重式降水傳感器。在實(shí)際的降水觀測中，不同傳感器體現(xiàn)出各自的優(yōu)勢和不足。

1各種降水觀測儀的結(jié)構(gòu)以及測量原理

人工雨量器的測量原理：其結(jié)構(gòu)為雨量筒和量杯兩部分，雨量筒所起的作用是承接降水物，它又包括外筒、貯水瓶和盛水器三部分。盛水器則分為承雨器（有漏斗）和承雪器（無漏斗）兩種。在每天08點(diǎn)和20點(diǎn)兩個(gè)觀測時(shí)次，由觀測人員分別量取當(dāng)前時(shí)次12小時(shí)降水量，觀測時(shí)，降水若為液體，則改用貯水瓶，將液體全部倒入量杯，降水值即為讀取的刻度數(shù);降水若為固態(tài)，則換取外筒，取回室內(nèi)，待固體降水融化后，用量杯測量，即得到降水值[1]。

DSJ2型虹吸式降水傳感器的測量原理：盛水器收集到降水后，收集降水經(jīng)漏斗進(jìn)水管被引入至一個(gè)圓形容器內(nèi)，即浮子室內(nèi);自記鐘上的筆端與浮子上的直桿相連接，虹吸管則與浮子室外部相連接。在降水的浮力作用下，浮子開始上升，自記筆在浮子的帶動(dòng)下，開始在自記紙上記錄[2]。

SL3-1型雙翻斗降水傳感器的測量原理：降水經(jīng)過盛水器后，途徑漏斗流入至上層翻斗，當(dāng)積累到一定量時(shí)，上層翻斗受到水重力作用而進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，水流至匯集漏斗處，再經(jīng)匯集漏斗的節(jié)流管流入至計(jì)量翻斗，此處能起到使得不同降水強(qiáng)度調(diào)整為較均勻強(qiáng)度的作用，從而使測量過程中產(chǎn)生的誤差降至最低，當(dāng)累積的降水量達(dá)到0.1mm時(shí)，計(jì)量翻斗會(huì)把降水傾倒給計(jì)數(shù)翻斗，使計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次，與此同時(shí)，磁鋼會(huì)掃描干簧管一次，干簧管因磁化而瞬間閉合一次，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號，代表0.1mm的降水量[3]。

DSC3型稱重式降水傳感器的測量原理：其主要是由載荷元件、降水發(fā)生探測器、數(shù)據(jù)處理單元、外圍組件等幾部分組成，載荷元件將測得的收集容器中降水重量的電信號數(shù)值傳到運(yùn)算器中，與此同時(shí)，主板上的中央處理器通過降水發(fā)生探測器判斷是否有降水發(fā)生，只有在降水發(fā)生探測器判斷出有降水發(fā)生的時(shí)候，載荷元件測得的降水重量的電信號數(shù)值才會(huì)輸出，運(yùn)算器經(jīng)過計(jì)算將電信號數(shù)值轉(zhuǎn)化成以毫米為單位的數(shù)值，再通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的常數(shù)校準(zhǔn)、并結(jié)合溫度、風(fēng)等環(huán)境干擾要素的過濾與修正，計(jì)算出最終的降水量值[5]，其工作原理框圖如圖1所示。

2基于電阻應(yīng)變技術(shù)的載荷元件

DSC3型傳感器的核心部分就是基于電阻應(yīng)變技術(shù)的載荷元件，在收集容器中的降水重力作用下，元件的敏感梁以及在敏感梁表面黏附的電阻應(yīng)變片發(fā)生彈性形變，在應(yīng)變片彈性發(fā)生變化的基礎(chǔ)上，電阻應(yīng)變片的阻值也發(fā)生了變化，電阻值的變化再經(jīng)過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路被輸出為電信號，最終得到降水重量值。

機(jī)械形變是在外界拉力或壓力施加于應(yīng)變片材料上而發(fā)生的，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的阻值發(fā)生改變，這種現(xiàn)象被稱為是“應(yīng)變效應(yīng)”。假設(shè)一種應(yīng)變片材料為電阻絲，如圖2所示，它在未受力時(shí)的原始電阻為： ?式中，為材料的電阻率;為材料的長度;為材料的截面積。假設(shè)在外力F的作用下，材料發(fā)生了機(jī)械形變，則使長度、面積、密度均發(fā)生變化，、、分別為相應(yīng)變化量，為相應(yīng)電阻值變化量， 由多元函數(shù)微分得

用相對變化表示式得 ? ，假設(shè)電阻絲的半徑為，截面面積，則有，所以。令電阻絲的縱向應(yīng)變?yōu)?，橫向應(yīng)變?yōu)?，則由材料力學(xué)泊松定律可知：

，其中，為泊松比。

經(jīng)整理得， 若用增量和表示和，則上式也可以表示為：

設(shè) ，在這里，假設(shè)電阻絲的靈敏系數(shù)為，對于每一種電阻絲，不管受到拉力或壓力，其靈敏系數(shù)都是恒定不變的，即值是恒定的。當(dāng)超出設(shè)定范圍內(nèi)，值即會(huì)變化，通常電阻絲的，進(jìn)一步可表示為： ? [4]。載荷元件正是基于這種原理，實(shí)現(xiàn)了通過對重量變化的快速響應(yīng)，從而測量和計(jì)算出降水量。

3基于光學(xué)原理的降水發(fā)生探測器

當(dāng)有不同類型的降落物進(jìn)入到傳感器的收集容器中時(shí)，光束的傳播，會(huì)對降落物粒子產(chǎn)生一定的影響，利用相關(guān)儀器可以獲知光束中的降落物粒子信息，正是基于這種原理，降水發(fā)生探測器才能夠?qū)崿F(xiàn)判斷降水是否發(fā)生。該原理是根據(jù)不同類型降落物粒子的速度、尺度分布和通過光束頻率的對應(yīng)關(guān)系來進(jìn)行判斷的，降落物的類型不同，其粒子體積大小和下降速度有區(qū)別的，可通過不同粒子大小和速度的譜分布，實(shí)現(xiàn)對粒子類型的反演[5]，若已得到降落物粒子相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，設(shè)定相應(yīng)的判斷模式，從而實(shí)現(xiàn)對降水的識別，以及實(shí)現(xiàn)對例如沙子、碎石、樹葉、鳥糞等其他非降水雜物的排除。

降水發(fā)生探測器具有相對的兩端，一端為發(fā)射端，另一端為接收端，發(fā)射端的兩個(gè)遮陽管中間有一個(gè)紅外發(fā)光二極管，發(fā)出一道紅外線光束，由接收端來接收紅外光束，光束經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，最終獲得降落物粒子信息。降水發(fā)生探測器測量原理如圖3所示，當(dāng)有不同類型的降落物粒子穿越采樣空間時(shí)，會(huì)導(dǎo)致紅外發(fā)射光線光各種性質(zhì)的發(fā)生變化，再根據(jù)相應(yīng)的推算來獲得的降落物粒子信息，從而辨別區(qū)分降水粒子和非降水粒子[5]，降水發(fā)生探測器正是基于此原理，在判斷有降水發(fā)生的情況下，才會(huì)將測量的重量通過脈沖的方式輸出。

4結(jié)束語

通過對觀測業(yè)務(wù)中不同階段的幾種常用降水傳感器工作原理進(jìn)行分析和比較，特別是對稱重式降水傳感器先進(jìn)的工作原理和測量技術(shù)進(jìn)行了分析。可知，現(xiàn)如今多數(shù)臺站對于除液態(tài)降水以外的其他形態(tài)降水仍主要依靠臺站測報(bào)人員進(jìn)行觀測，稱重式降水傳感器的出現(xiàn)，既彌補(bǔ)了虹吸式降水傳感器、翻斗式降水傳感器不能測量固態(tài)降水和混合態(tài)降水的空白，也克服了觀測非液態(tài)降水存在的及時(shí)性不穩(wěn)定、無法排除非降水物影響和觀測頻率低等缺點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用自動(dòng)氣象設(shè)備對液態(tài)、固態(tài)或混合態(tài)降水的觀測，統(tǒng)一了不同形態(tài)降水的采集測量標(biāo)準(zhǔn)，使得降水觀測的準(zhǔn)確性和觀測效率有所提高，更大程度地保證了氣象業(yè)務(wù)水平和服務(wù)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 俞衛(wèi)平，王曉輝，陳永清，等.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003：98-100.

[2] 中國氣象局氣科所計(jì)量研究所.氣象儀器檢定檢修手冊[M]. 北京：氣象出版社，1982：69.

[3] 李黃.自動(dòng)氣象站實(shí)用手冊[M].北京：氣象出版社，2007：38-39，41-42.

[4] 趙玉剛，邱東，等.傳感器基礎(chǔ)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2008：39-43.

[5] 孫海洋，江志東，劉濤.淺談降水類型的光學(xué)識別技術(shù)[J].氣象水文海洋儀器，2010（4）：24-25.