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務中不同的降水觀測方式進行比較，以及對業務中常用到的幾種降水傳感器工作原理進行分析。結果表明，新型的稱重式降水傳感器運用先進的測量技術，實現了對不同形態降水的自動觀測，彌補了老式降水傳感器的弊端和不足，體現出其在降水自動觀測中的優勢。

關鍵詞 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、固態或混合態的水，其觀測包括對降水量和降水強度的觀測。降水觀測是地面氣象觀測業務的主要項目之一，其資料的準確性和完整性對于不同時效的天氣預報、全球氣候分析、預防和減少自然災害、城市環境改善和人工影響天氣情況都有著重要的意義。

在地面氣象觀測業務中，對于降水要素的觀測由最初的人工采用雨量筒進行降水觀測;到能夠進行半自動化觀測的、采用自記鐘記錄數據的虹吸式降水傳感器;到能夠實現自動化觀測的、采用脈沖輸出方式向自動站采集器傳輸數據的翻斗式降水傳感器;再到能夠智能化判斷降水發生及降水類型的、采用載荷元件測量降水值的新型稱重式降水傳感器。在實際的降水觀測中，不同傳感器體現出各自的優勢和不足。

1各種降水觀測儀的結構以及測量原理

人工雨量器的測量原理：其結構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點和20點兩個觀測時次，由觀測人員分別量取當前時次12小時降水量，觀測時，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;降水若為固態，則換取外筒，取回室內，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，收集降水經漏斗進水管被引入至一個圓形容器內，即浮子室內;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：降水經過盛水器后，途徑漏斗流入至上層翻斗，當積累到一定量時，上層翻斗受到水重力作用而進行翻轉，水流至匯集漏斗處，再經匯集漏斗的節流管流入至計量翻斗，此處能起到使得不同降水強度調整為較均勻強度的作用，從而使測量過程中產生的誤差降至最低，當累積的降水量達到0.1mm時，計量翻斗會把降水傾倒給計數翻斗，使計數翻斗翻轉一次，與此同時，磁鋼會掃描干簧管一次，干簧管因磁化而瞬間閉合一次，就會產生一個開關信號，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、降水發生探測器、數據處理單元、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值傳到運算器中，與此同時，主板上的中央處理器通過降水發生探測器判斷是否有降水發生，只有在降水發生探測器判斷出有降水發生的時候，載荷元件測得的降水重量的電信號數值才會輸出，運算器經過計算將電信號數值轉化成以毫米為單位的數值，再通過數據存儲器的常數校準、并結合溫度、風等環境干擾要素的過濾與修正，計算出最終的降水量值[5]，其工作原理框圖如圖1所示。

2基于電阻應變技術的載荷元件

DSC3型傳感器的核心部分就是基于電阻應變技術的載荷元件，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變片發生彈性形變，在應變片彈性發生變化的基礎上，電阻應變片的阻值也發生了變化，電阻值的變化再經過相應的轉換電路被輸出為電信號，最終得到降水重量值。

機械形變是在外界拉力或壓力施加于應變片材料上而發生的，同時會導致導體或半導體材料的阻值發生改變，這種現象被稱為是“應變效應”。假設一種應變片材料為電阻絲，如圖2所示，它在未受力時的原始電阻為： ?式中，為材料的電阻率;為材料的長度;為材料的截面積。假設在外力F的作用下，材料發生了機械形變，則使長度、面積、密度均發生變化，、、分別為相應變化量，為相應電阻值變化量， 由多元函數微分得

用相對變化表示式得 ? ，假設電阻絲的半徑為，截面面積，則有，所以。令電阻絲的縱向應變為，橫向應變為，則由材料力學泊松定律可知：

，其中，為泊松比。

經整理得， 若用增量和表示和，則上式也可以表示為：

設 ，在這里，假設電阻絲的靈敏系數為，對于每一種電阻絲，不管受到拉力或壓力，其靈敏系數都是恒定不變的，即值是恒定的。當超出設定范圍內，值即會變化，通常電阻絲的，進一步可表示為： ? [4]。載荷元件正是基于這種原理，實現了通過對重量變化的快速響應，從而測量和計算出降水量。

3基于光學原理的降水發生探測器

當有不同類型的降落物進入到傳感器的收集容器中時，光束的傳播，會對降落物粒子產生一定的影響，利用相關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，降水發生探測器才能夠實現判斷降水是否發生。該原理是根據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關系來進行判斷的，降落物的類型不同，其粒子體積大小和下降速度有區別的，可通過不同粒子大小和速度的譜分布，實現對粒子類型的反演[5]，若已得到降落物粒子相關信息的基礎上，設定相應的判斷模式，從而實現對降水的識別，以及實現對例如沙子、碎石、樹葉、鳥糞等其他非降水雜物的排除。

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

4結束語

通過對觀測業務中不同階段的幾種常用降水傳感器工作原理進行分析和比較，特別是對稱重式降水傳感器先進的工作原理和測量技術進行了分析?？芍?，現如今多數臺站對于除液態降水以外的其他形態降水仍主要依靠臺站測報人員進行觀測，稱重式降水傳感器的出現，既彌補了虹吸式降水傳感器、翻斗式降水傳感器不能測量固態降水和混合態降水的空白，也克服了觀測非液態降水存在的及時性不穩定、無法排除非降水物影響和觀測頻率低等缺點，真正實現了運用自動氣象設備對液態、固態或混合態降水的觀測，統一了不同形態降水的采集測量標準，使得降水觀測的準確性和觀測效率有所提高，更大程度地保證了氣象業務水平和服務質量。

參考文獻

[1] 俞衛平，王曉輝，陳永清，等.地面氣象觀測規范[M].北京：氣象出版社，2003：98-100.

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

[3] 李黃.自動氣象站實用手冊[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[M].北京：中國林業出版社，2008：39-43.

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