光學(xué)雨量傳感器設(shè)計(jì)研究

王 相，龐喜龍，林虹宇，萬洪虎，杜中鵬

（威海精訊暢通電子科技有限公司，威海264200）

降雨是自然界中常見的天氣現(xiàn)象之一，其在空間上分布不均勻性與時(shí)間上變化不穩(wěn)定性會(huì)直接影響到江河湖海的水位，危及農(nóng)作物的產(chǎn)量、質(zhì)量等；會(huì)間接造成城市內(nèi)澇、山地滑坡、泥石流、山洪等次生災(zāi)害的發(fā)生，關(guān)系著人們的衣食住行。因此，及時(shí)監(jiān)測雨量變化，能夠?yàn)榉姥捶罏?zāi)提供準(zhǔn)確、真實(shí)、及時(shí)的參考依據(jù)，對人們生產(chǎn)生活具有重大意義。

雨量傳感器是用于雨量監(jiān)測的重要儀器，可以自動(dòng)監(jiān)測和記錄雨量數(shù)據(jù)，為人們生產(chǎn)生活提供準(zhǔn)確的雨量氣象信息，指導(dǎo)人們合理規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)開展相關(guān)活動(dòng)等。傳統(tǒng)雨量傳感器主要以翻斗式、稱重式、虹吸式為主[1]。傳統(tǒng)雨量傳感器在實(shí)際應(yīng)用中存在多種弊端，如：野外惡劣環(huán)境中，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)故障，需要大量人力物力進(jìn)行定期維護(hù)；對雨量的測量為降水累計(jì)值，在降雨量非常少的降雨情況監(jiān)測誤差較大，效果不佳等。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，雨量監(jiān)測技術(shù)以及形式也越來越多樣，包括光學(xué)探測、聲波探測和雷達(dá)探測等。其中，以光學(xué)原理為基礎(chǔ)的雨量監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，具有代表性的方法有光強(qiáng)閃爍法、光散射法、光強(qiáng)衰減法等[2]。

本文利用光強(qiáng)衰減法設(shè)計(jì)一種光學(xué)雨量傳感器，利用光線在傳輸過程中發(fā)生光線損失，從而引起接收端光通量的變化，最終推算出雨量大小。傳感器光線接收端采用PIN 硅光電二極管，靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)；同時(shí)，傳感器設(shè)計(jì)為多個(gè)檢測通路結(jié)構(gòu)，可消除雜光對檢測結(jié)果的影響，提高檢測精度。

1 檢測原理

當(dāng)光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，若入射角大于某一臨界角θc時(shí)，所有入射光線將全部被反射不發(fā)生折射。這種光學(xué)現(xiàn)象即全反射（total internal reflection，TIR）。

全反射在雨量監(jiān)測上應(yīng)用效果優(yōu)異。將傳感器入射角設(shè)計(jì)為無雨時(shí)的全反射臨界角，因而無雨時(shí)，傳感器光源發(fā)射的入射光線將全部被反射到光線接收端，圖1 是無雨時(shí)入射光線路徑變化[3]；雨天時(shí)，雨滴滴落到傳感器上，使得傳感器外部介質(zhì)發(fā)生變化，全反射平衡被打破，部分入射光線發(fā)生折射，光線接收端只能接收到部分入射光線，即光線接收端的光通量發(fā)生變化，圖2 是有雨水入射光線路徑變化。光通量變化量與雨量之間有著非線性關(guān)系，通過檢測光通量變化量即可推算出雨量；雨滴遮擋幅度可推算出雨滴的直徑[4]；最終綜合分析數(shù)據(jù)得到降雨類型等信息。

圖1 無雨時(shí)光線路徑Fig.1 Light line path without rain

圖2 有雨時(shí)光線路徑Fig.2 Light path with rain

2 傳感器基本結(jié)構(gòu)與檢測過程

2.1 基本結(jié)構(gòu)

圖3 是本文設(shè)計(jì)的光學(xué)雨量傳感器，主要包括光線整合器、紅外燈、紅外光線接收端、電路板、底座等結(jié)構(gòu)。其中，紅外燈、紅外線接收端、電路板等構(gòu)成傳感器光學(xué)系統(tǒng)，被光線整合器罩住。

圖3 傳感器剖面圖Fig.3 Cross section of sensor

光線整合器包括頂面、棱臺(tái)狀側(cè)面、棱柱狀側(cè)面，其中，棱臺(tái)狀側(cè)面傾斜角度設(shè)計(jì)為與水平方向呈45°，以滿足發(fā)生全反射條件，同時(shí)使得傳感器整體結(jié)構(gòu)更加緊湊美觀。

圖4 是傳感器內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括6 個(gè)紅外燈和6 個(gè)紅外線接收端；6 個(gè)紅外燈在電路板1中心處圓周分布，6 個(gè)紅外線接收端沿電路板1 邊緣處圓周分布，兩者之間一一對應(yīng)，形成6 個(gè)檢測通路。

圖4 傳感器光學(xué)系統(tǒng)Fig.4 Optical system of sensor

2.2 檢測過程

由全反射原理可知，當(dāng)入射角大于全反射臨界角時(shí)，折射現(xiàn)象完全消失，所有入射光線將全部被反射。根據(jù)全反射臨界角計(jì)算公式，即公式（1），推算出本文光學(xué)雨量傳感器全反射臨界角為39°。

式中：θc為全反射臨界角；n1為光疏介質(zhì)折射率；n2為光密介質(zhì)折射率。

本文光學(xué)雨量傳感器不能保證全部入射光線以平行于水平面方向射出，在反射時(shí)有部分光線不滿足全反射條件從而被損失掉，因此為減少過多入射光線被損失，本文將傳感器入射角設(shè)為45°。

本文光學(xué)雨量傳感器通過將光線整合器棱臺(tái)狀側(cè)面與水平面間夾角設(shè)計(jì)為45°以滿足本文入射角設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，棱臺(tái)狀側(cè)面有一定斜度使得雨水極易滑落，可防止雨水長時(shí)間停留在傳感器上從而影響下次檢測結(jié)果。工作時(shí)，紅外燈發(fā)出波長為850 mm 的紅外入射光，入射光線將被垂直反射到水平位置的紅外光線接收端，圖5、圖6 是紅外光線在本文光學(xué)雨量傳感器中有雨、 無雨時(shí)的傳輸路徑。

圖5 無雨時(shí)光線傳輸路徑Fig.5 Light line transmission path without rain

圖6 無雨時(shí)光線傳輸路徑Fig.6 Light line transmission path without rain

傳感器在工作時(shí)會(huì)受到外界雜光影響且每個(gè)接收端受到的影響一致。為消除外界雜光對檢測精度的影響，將同一直徑方向的兩個(gè)檢測通路組成一組數(shù)據(jù)輸出組，一個(gè)輸出組作為一個(gè)輸入信號，輸入到檢測電路中，以外界消除雜光影響。由圖7 所示，整個(gè)傳感器包括三個(gè)數(shù)據(jù)輸出組，分別檢測有雨、無雨時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)并分析，最終得到雨量信息，具體數(shù)據(jù)分析，如下：

無雨時(shí)：

設(shè)三路輸出值：x1，x2，x3

有雨時(shí)：

設(shè)三路輸出值：y1，y2，y3

三路的絕對值：z1=

求出三路數(shù)據(jù)中的平均值：z=（z1+z2+z3）/3

通過z 數(shù)值的大小，可以判斷出雨的大小。

假設(shè)小雨的范圍是a1-a2，中雨的范圍是b1-b2，大雨的范圍是c1-c2

當(dāng)a1＜z＜a2時(shí)

降雨量s1=z*a（a 為讀取到z 值的次數(shù)）

當(dāng)b1＜z＜b2時(shí)

降雨量s2=z*b（b 為讀取到z 值的次數(shù)）

當(dāng)c1＜z＜c2時(shí)

降雨量s3=z*c（c 為讀取到z 值的次數(shù)）

總降雨量s=s1+s2+s3

圖7 傳感器數(shù)據(jù)輸出組Fig.7 Sensor data output group

3 光學(xué)雨量傳感器對比

在80年代末、90年代初，美國STI 公司研制生產(chǎn)出一種發(fā)光二極管天氣識別儀（light emitting diode weather identifiev，LEDWI），該儀器利用紅外線在傳播路徑中受到豎直運(yùn)動(dòng)降水物塵埃的影響，其載頻將發(fā)生變化，從而根據(jù)其變化來確定降水大小[5]。該儀器解決了當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)方法容易受到場地和環(huán)境溫度影響、測量動(dòng)態(tài)范圍窄等問題，同時(shí)檢測精度也有很大提高。但受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，該識別儀仍存在很多不足，例如：技術(shù)復(fù)雜、成本高、重量大、維護(hù)周期短等問題。

如今，市場上常見光學(xué)量傳感器多采用將光源與光線接收端分別設(shè)置于同一直徑的兩端，由圖8所示工作時(shí)傳感器內(nèi)部光源發(fā)出平行光[6]，經(jīng)導(dǎo)光器全面域內(nèi)多次全反射后射至受光元件所在位置，最終由探測器及處理器將光信號轉(zhuǎn)換得到降雨速率和降雨量。

圖8 一種光學(xué)雨量傳感器Fig.8 An optical rain sensor

實(shí)際中，傳感器并不能提供理想的全反射條件，因此光線在傳感器中經(jīng)多次全反射傳輸會(huì)造成不同程度的光線損失，最終影響檢測精度。

4 結(jié)語

本文光學(xué)雨量傳感器基于光強(qiáng)衰減法設(shè)計(jì)原理，對傳感器內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過將紅外燈與紅外光線接收端數(shù)量提升至6 個(gè)，形成多個(gè)檢測通道再結(jié)合檢測電路可消除雜光對檢測結(jié)果的影響，提高檢測精度；每個(gè)檢測通道內(nèi)入射光線只進(jìn)行一次全反射，最大限度減少傳輸過程中對光線造成的損失；棱臺(tái)狀側(cè)面有45°傾斜角度，能夠使足夠多光線反射至紅外線接收端，且雨水不易停留至傳感器表面，進(jìn)而使得傳感器精度更高。整個(gè)光學(xué)雨量傳感器在結(jié)構(gòu)上小巧緊湊、方便安裝，在多種環(huán)境條件下都有良好的檢測精度及靈敏度。