本發(fā)明涉及一冰雹傳感器。

背景技術(shù)：

冰雹天氣現(xiàn)象的觀測(cè)是地面氣象觀測(cè)中最基本的項(xiàng)目之一，觀測(cè)冰雹對(duì)天氣預(yù)報(bào)、氣候變化分析和防災(zāi)減災(zāi)等社會(huì)公眾服務(wù)都有重要意義。冰雹傳感器主要用以檢測(cè)冰雹的發(fā)生、統(tǒng)計(jì)冰雹的數(shù)量，為天氣現(xiàn)象綜合判定提供依據(jù)。檢測(cè)冰雹的技術(shù)可行的方法有振動(dòng)式的和光學(xué)式的。振動(dòng)式傳感器相比光學(xué)式的傳感器判斷冰雹的條件更加充分，因其信號(hào)能量大，與雨滴等降水具有明顯界限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決上述問(wèn)題，旨在自動(dòng)測(cè)量冰雹天氣現(xiàn)象，代替氣象站的人工觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量冰雹。產(chǎn)品涉及壓電陶瓷材料學(xué)、氣象觀測(cè)學(xué)、機(jī)械電子、模擬電路、信號(hào)處理等方面的知識(shí)，發(fā)明人根據(jù)中國(guó)氣象局《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》(isbn7-5029-3690-4)的要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于壓電陶瓷測(cè)量原理的冰雹傳感器，該傳感器可單獨(dú)使用，判斷冰雹的發(fā)生、統(tǒng)計(jì)冰雹的數(shù)量；與多要素氣象站聯(lián)合應(yīng)用，有利于氣象綜合觀測(cè)以及防災(zāi)減災(zāi)；與光學(xué)法的降水類(lèi)天氣現(xiàn)象儀配合使用，可以輔助判斷降水類(lèi)天氣現(xiàn)象。

具體采用如下技術(shù)方案：

一種冰雹傳感器，包括傳感器感應(yīng)鑼片1、鑼片固定支架2、壓電陶瓷傳感器3、密封圈4、測(cè)量電路5、傳感器基座連接件一6、傳感器基座連接件二7、基座8、程序燒寫(xiě)航空插頭9、主通訊航空插頭10、頂絲11、固定孔膠墊12和支柱；所述傳感器感應(yīng)鑼片1與鑼片固定支架2組裝連接形成組件一，壓電陶瓷傳感器3與組件一組裝連接形成組件二，傳感器基座連接件一6和傳感器基座連接件二7組裝連接形成組件三，所述基座8與組件三組裝連接形成組件四，組件四與程序燒寫(xiě)航空插頭9、主通訊航空插頭10組裝連接形成組件五，組件五與測(cè)量電路5組裝連接形成組件六，組件六安裝密封圈4形成組件七，組件二與組件七連接形成組件八，組件八通過(guò)頂絲11固定，并墊上固定孔膠墊12，再連接支柱13形成冰雹傳感器。

所述冰雹傳感器的測(cè)量電路包括前端電路、信號(hào)處理電路、超擺幅比較器電路和接口電路。

所述冰雹傳感器的前端電路連接為：所述冰雹傳感器的前端電路連接為：壓電陶瓷信號(hào)輸入端口(p5)，信號(hào)接入后與電阻(r11)和(r15)和電容(c20)連接，構(gòu)成第一級(jí)濾波，濾波后信號(hào)由電容(c16)進(jìn)行隔直，通過(guò)交流信號(hào)，通過(guò)的交流信號(hào)由二極管(d1)連接到3.3v供電電源。前端電路，傳感器前端除了一級(jí)濾波外還增加了一個(gè)鉗位二極管，在沒(méi)有改二極管的時(shí)候，輸入電壓瞬間電壓能達(dá)到10v以上，極易燒毀后面信號(hào)調(diào)理電路。加入鉗位二極管后可以將前端輸入信號(hào)鉗位在安全的電壓范圍之內(nèi)。

所述冰雹傳感器的信號(hào)處理電路連接為：所述冰雹傳感器的信號(hào)處理電路連接為：信號(hào)由前置電路走向兩路，一路直接進(jìn)入節(jié)點(diǎn)(net1)，另外一路經(jīng)電阻(r12)接入第一級(jí)放大，接入的信號(hào)由運(yùn)算放大器運(yùn)放正極進(jìn)入，經(jīng)電阻(r2)，(r3)組成的運(yùn)算放大電路被放大后，由電容(c27)隔直耦合進(jìn)節(jié)點(diǎn)(net2)，節(jié)點(diǎn)(net2)用于判別強(qiáng)降水干擾信號(hào)，同時(shí)，經(jīng)過(guò)一級(jí)放大后的信號(hào)經(jīng)由運(yùn)算放大器運(yùn)放和電阻(r9)、(r10)、(r23)、(r17)、電容(c14)、(c18)、(c19)、(c24)組成的帶增益二階有源濾波電路后，經(jīng)電容(c17)耦合進(jìn)由運(yùn)算放大器運(yùn)放組成的跟隨器電路后進(jìn)入節(jié)點(diǎn)(net3)，用以分析小雨干擾信號(hào)。信號(hào)處理電路，信號(hào)調(diào)理部分在第一級(jí)的基礎(chǔ)上又增加了兩級(jí)，相比原來(lái)一級(jí)調(diào)理電路可以有效提高冰雹的采集精確度，同時(shí)可以減少雨的干擾。調(diào)理部分運(yùn)放選用opa2347芯片，該芯片是小封裝微功耗軌到軌的運(yùn)算放大器。小封裝可以減小電路板的面積，20ua的靜態(tài)工作電流可以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。在降低功耗的同時(shí)在達(dá)到350khz帶寬的情況下具有極高的速度/功率比。

輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理之后經(jīng)比較器進(jìn)入主芯片采集。比較器采用美信公司的max9120納安級(jí)低功耗比較器，該芯片具有極小的封裝，極低的功耗，超擺幅的比較器。max9120每路電源電流為350na。工作電流可低至1.6v。

所述冰雹傳感器的超擺幅比較器電路連接為：所述冰雹傳感器的超擺幅比較器電路連接為：由前置電路處理后的信號(hào)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)(net1)，經(jīng)由電阻(r69)，(r28)，(r29)組成的分壓電路接入超擺幅比較器，比較器由3.3v電壓供電，接入引腳五，腳二接地，腳三為比較器的正極，正極參考電壓由電阻(r25)，(r26)，(r27)，3.3v電源組成的分壓電路提供，比較器輸出腳一經(jīng)低通濾波器、電阻(r64)，電容(c25)，電阻r24接入cpu和ad轉(zhuǎn)換引腳(cpu_io1)。

所述冰雹傳感器的接口電路連接為：所述冰雹傳感器的接口電路連接為：通訊信號(hào)一由芯片、腳十二接入，信號(hào)二由腳十、九接入，經(jīng)通訊芯片調(diào)理，信號(hào)一由腳十四、十三輸出，信號(hào)二由腳七、八輸出，輸出信號(hào)經(jīng)電阻(r74～r77)后，由二極管(d7)，(d8)分別接地，接地后輸出信號(hào)經(jīng)由小電容(c68)，(c69)，(c73)，(c74)進(jìn)行濾波，濾波后信號(hào)由接口(p1)，(p4)引出。接口電路，接口部分選用美信公司的max3232芯片。該芯片是低壓高速rs-232收發(fā)器。該芯片可以3.0v-5.5v供電，電流低至10na，速度高達(dá)1mhz，提供±15kv的esd保護(hù)。對(duì)外的通信接口上，本設(shè)計(jì)增加了一些額外的設(shè)計(jì)來(lái)抑制電磁干擾。接口處的三端電容濾波器是第一級(jí)emi濾波，可以有效降低本機(jī)對(duì)外的電磁干擾同時(shí)阻止外界電磁干擾進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部。第二級(jí)電容可以濾除大部分低頻的噪聲干擾。nup2105是第三級(jí)保護(hù)，該tvs管提供雙向30kv(iec61000-4-2規(guī)范)350w的瞬態(tài)保護(hù)。第四級(jí)電阻可以消耗部分窄電壓脈沖的能量，提供芯片的抗干擾能力，同時(shí)還可以匹配阻抗，提高信號(hào)通信質(zhì)量。

在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬冰雹下落以及雨滴下落的情況，對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證產(chǎn)品能夠檢測(cè)出冰雹的信號(hào)，同時(shí)能夠區(qū)分冰雹和雨滴信號(hào)。實(shí)驗(yàn)采用冰球撞擊來(lái)模擬冰雹下落，冰球直徑為10mm，由模具凍成，采用加壓噴水的方式模擬強(qiáng)降水。

圖6-8顯示了采用制備的冰球沖擊的原始信號(hào)和經(jīng)電路調(diào)制后的信號(hào)處理結(jié)果。圖6顯示為原始信號(hào)，圖7為經(jīng)過(guò)電路調(diào)制整形后的模擬信號(hào)，圖8為信號(hào)連續(xù)沖擊的原始信號(hào)以及調(diào)制結(jié)果，模擬測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1數(shù)量檢測(cè)結(jié)果

從表1的實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，設(shè)備能夠區(qū)分固態(tài)冰雹沖擊，并可以統(tǒng)計(jì)出冰雹的數(shù)量。

此外，本發(fā)明的外部形狀參考冰雹圓潤(rùn)的特點(diǎn)，外部形態(tài)采用規(guī)矩簡(jiǎn)潔的圓形狀態(tài)，整體飽滿又有流動(dòng)感，特別貼合冰雹給人的視覺(jué)感受(堅(jiān)硬、冰冷、簡(jiǎn)單、透亮、靈動(dòng))。

在材料選擇上，上部冰雹接觸面采用堅(jiān)硬的金屬材質(zhì)，頂部形態(tài)弧形設(shè)計(jì)，保護(hù)整個(gè)產(chǎn)品不受冰雹沖擊力損壞的同時(shí)又不存在積存問(wèn)題。底部采用塑料材質(zhì)，方便加工組裝，節(jié)約成本的同時(shí)，又可以在材質(zhì)上凸顯產(chǎn)品差異性。

配色上頂部金屬銀色體現(xiàn)堅(jiān)實(shí)、硬朗的科技感，底部白色易于融合周邊環(huán)境，貼合氣象產(chǎn)品的風(fēng)格趨勢(shì)，表達(dá)對(duì)環(huán)境干凈、純潔、環(huán)保的期許愿望。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：1.采用多級(jí)放大濾波的前端模擬信號(hào)處理方法，可以避免大顆粒降水的干擾，準(zhǔn)確測(cè)得冰雹的發(fā)生。2.采用超擺幅比較器，測(cè)量的冰雹信號(hào)是一個(gè)冰雹撞擊鑼片時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)的包絡(luò)線，該包絡(luò)線包含了冰雹的獨(dú)特特征，利于計(jì)算冰雹數(shù)量。3.進(jìn)行emc電磁兼容設(shè)計(jì)，有效降低野外環(huán)境下各種頻率信號(hào)的干擾。

附圖說(shuō)明

圖1為所述冰雹傳感器爆炸圖；

圖2為前端電路圖；

圖3為信號(hào)處理電路圖；

圖4為超擺幅比較器電路圖；

圖5為接口電路圖；

圖6顯示為原始信號(hào)；

圖7為經(jīng)過(guò)電路調(diào)制整形后的模擬信號(hào)；

圖8為信號(hào)連續(xù)沖擊的原始信號(hào)以及調(diào)制結(jié)果；

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1傳感器感應(yīng)鑼片；2鑼片固定支架；3壓電陶瓷傳感器；4密封圈；5測(cè)量電路；6傳感器基座連接件a；7傳感器基座連接件b；8基座；9程序燒寫(xiě)航空插頭；10主通訊航空插頭；11頂絲；12固定孔膠墊；13支柱。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

實(shí)施例1

如圖1，一種冰雹傳感器，包括傳感器感應(yīng)鑼片1、鑼片固定支架2、壓電陶瓷傳感器3、密封圈4、測(cè)量電路5、傳感器基座連接件一6、傳感器基座連接件二7、基座8、程序燒寫(xiě)航空插頭9、主通訊航空插頭10、頂絲11、固定孔膠墊12和支柱13；所述傳感器感應(yīng)鑼片1與鑼片固定支架2組裝連接形成組件一，壓電陶瓷傳感器3與組件一組裝連接形成組件二，傳感器基座連接件一6和傳感器基座連接件二7組裝連接形成組件三，所述基座8與組件三組裝連接形成組件四，組件四與程序燒寫(xiě)航空插頭9、主通訊航空插頭10組裝連接形成組件五，組件五與測(cè)量電路5組裝連接形成組件六，組件六安裝密封圈4形成組件七，組件二與組件七連接形成組件八，組件八通過(guò)頂絲11固定，并墊上固定孔膠墊12，再連接支柱13形成冰雹傳感器。

所述冰雹傳感器的測(cè)量電路包括前端電路、信號(hào)處理電路、超擺幅比較器電路和接口電路。

如圖2，所述冰雹傳感器的前端電路連接為：所述冰雹傳感器的前端電路連接為：壓電陶瓷信號(hào)輸入端口p5，信號(hào)接入后與電阻r11和r15和電容c20連接，構(gòu)成第一級(jí)濾波，濾波后信號(hào)由電容c16進(jìn)行隔直，通過(guò)交流信號(hào)，通過(guò)的交流信號(hào)由二極管d1連接到3.3v供電電源。前端電路，傳感器前端除了一級(jí)濾波外還增加了一個(gè)鉗位二極管，在沒(méi)有改二極管的時(shí)候，輸入電壓瞬間電壓能達(dá)到10v以上，極易燒毀后面信號(hào)調(diào)理電路。加入鉗位二極管后可以將前端輸入信號(hào)鉗位在安全的電壓范圍之內(nèi)。

如圖3，所述冰雹傳感器的信號(hào)處理電路連接為：所述冰雹傳感器的信號(hào)處理電路連接為：信號(hào)由前置電路走向兩路，一路直接進(jìn)入節(jié)點(diǎn)net1，另外一路經(jīng)電阻r12接入第一級(jí)放大，接入的信號(hào)由運(yùn)算放大器運(yùn)放正極進(jìn)入，經(jīng)電阻r2，r3組成的運(yùn)算放大電路被放大后，由電容c27隔直耦合進(jìn)節(jié)點(diǎn)net2，節(jié)點(diǎn)net2用于判別強(qiáng)降水干擾信號(hào)，同時(shí)，經(jīng)過(guò)一級(jí)放大后的信號(hào)經(jīng)由運(yùn)算放大器運(yùn)放和電阻r9、r10、r23、r17、電容c14、c18、c19、c24組成的帶增益二階有源濾波電路后，經(jīng)電容c17耦合進(jìn)由運(yùn)算放大器運(yùn)放組成的跟隨器電路后進(jìn)入節(jié)點(diǎn)net3，用以分析小雨干擾信號(hào)。信號(hào)處理電路，信號(hào)調(diào)理部分在第一級(jí)的基礎(chǔ)上又增加了兩級(jí)，相比原來(lái)一級(jí)調(diào)理電路可以有效提高冰雹的采集精確度，同時(shí)可以減少雨的干擾。調(diào)理部分運(yùn)放選用opa2347芯片，該芯片是小封裝微功耗軌到軌的運(yùn)算放大器。小封裝可以減小電路板的面積，20ua的靜態(tài)工作電流可以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。在降低功耗的同時(shí)在達(dá)到350khz帶寬的情況下具有極高的速度/功率比。

輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理之后經(jīng)比較器進(jìn)入主芯片采集。比較器采用美信公司的max9120納安級(jí)低功耗比較器，該芯片具有極小的封裝，極低的功耗，超擺幅的比較器。max9120每路電源電流為350na。工作電流可低至1.6v。

如圖4，所述冰雹傳感器的超擺幅比較器電路連接為：所述冰雹傳感器的超擺幅比較器電路連接為：由前置電路處理后的信號(hào)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)net1，經(jīng)由電阻r69，r28，r29組成的分壓電路接入超擺幅比較器，比較器由3.3v電壓供電，接入引腳五，腳二接地，腳三為比較器的正極，正極參考電壓由電阻r25，r26，r27，3.3v電源組成的分壓電路提供，比較器輸出腳一經(jīng)低通濾波器、電阻r64，電容c25，電阻r24接入cpu和ad轉(zhuǎn)換引腳cpu_io1。

如圖5，所述冰雹傳感器的接口電路連接為：所述冰雹傳感器的接口電路連接為：通訊信號(hào)一由芯片、腳十二接入，信號(hào)二由腳十、九接入，經(jīng)通訊芯片調(diào)理，信號(hào)一由腳十四、十三輸出，信號(hào)二由腳七、八輸出，輸出信號(hào)經(jīng)電阻r74～r77后，由二極管d7，d8分別接地，接地后輸出信號(hào)經(jīng)由小電容c68，c69，c73，c74進(jìn)行濾波，濾波后信號(hào)由接口p1，p4引出。

接口電路，接口部分選用美信公司的max3232芯片。該芯片是低壓高速rs-232收發(fā)器。該芯片可以3.0v-5.5v供電，電流低至10na，速度高達(dá)1mhz，提供±15kv的esd保護(hù)。對(duì)外的通信接口上，本設(shè)計(jì)增加了一些額外的設(shè)計(jì)來(lái)抑制電磁干擾。接口處的三端電容濾波器是第一級(jí)emi濾波，可以有效降低本機(jī)對(duì)外的電磁干擾同時(shí)阻止外界電磁干擾進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部。第二級(jí)電容可以濾除大部分低頻的噪聲干擾。nup2105是第三級(jí)保護(hù)，該tvs管提供雙向30kv(iec61000-4-2規(guī)范)350w的瞬態(tài)保護(hù)。第四級(jí)電阻可以消耗部分窄電壓脈沖的能量，提供芯片的抗干擾能力，同時(shí)還可以匹配阻抗，提高信號(hào)通信質(zhì)量。

在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬冰雹下落以及雨滴下落的情況，對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證產(chǎn)品能夠檢測(cè)出冰雹的信號(hào)，同時(shí)能夠區(qū)分冰雹和雨滴信號(hào)。實(shí)驗(yàn)采用冰球撞擊來(lái)模擬冰雹下落，冰球直徑為10mm，由模具凍成，采用加壓噴水的方式模擬強(qiáng)降水。

圖6-8顯示了采用制備的冰球沖擊的原始信號(hào)和經(jīng)電路調(diào)制后的信號(hào)處理結(jié)果。圖6顯示為原始信號(hào)，圖7為經(jīng)過(guò)電路調(diào)制整形后的模擬信號(hào)，圖8為信號(hào)連續(xù)沖擊的原始信號(hào)以及調(diào)制結(jié)果，模擬測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1數(shù)量檢測(cè)結(jié)果

從表1的實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，設(shè)備能夠區(qū)分固態(tài)冰雹沖擊，并可以統(tǒng)計(jì)出冰雹的數(shù)量。

此外，本發(fā)明的外部形狀參考冰雹圓潤(rùn)的特點(diǎn)，外部形態(tài)采用規(guī)矩簡(jiǎn)潔的圓形狀態(tài)，整體飽滿又有流動(dòng)感，特別貼合冰雹給人的視覺(jué)感受(堅(jiān)硬、冰冷、簡(jiǎn)單、透亮、靈動(dòng))。

在材料選擇上，上部冰雹接觸面采用堅(jiān)硬的金屬材質(zhì)，頂部形態(tài)弧形設(shè)計(jì)，保護(hù)整個(gè)產(chǎn)品不受冰雹沖擊力損壞的同時(shí)又不存在積存問(wèn)題。底部采用塑料材質(zhì)，方便加工組裝，節(jié)約成本的同時(shí)，又可以在材質(zhì)上凸顯產(chǎn)品差異性。

配色上頂部金屬銀色體現(xiàn)堅(jiān)實(shí)、硬朗的科技感，底部白色易于融合周邊環(huán)境，貼合氣象產(chǎn)品的風(fēng)格趨勢(shì)，表達(dá)對(duì)環(huán)境干凈、純潔、環(huán)保的期許愿望。

本發(fā)明采用多級(jí)放大濾波的前端模擬信號(hào)處理方法，可以避免大顆粒降水的干擾，準(zhǔn)確測(cè)得冰雹的發(fā)生。采用超擺幅比較器，測(cè)量的冰雹信號(hào)是一個(gè)冰雹撞擊鑼片時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)的包絡(luò)線，該包絡(luò)線包含了冰雹的獨(dú)特特征，利于計(jì)算冰雹數(shù)量。進(jìn)行emc電磁兼容設(shè)計(jì)，有效降低野外環(huán)境下各種頻率信號(hào)的干擾。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，即依本發(fā)明專利范圍及說(shuō)明書(shū)內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。