基于壓電陶瓷的冰雹傳感器設計

李 佳， 張 弛， 王柏林

(1.中國華云氣象科技集團公司，北京 100081； 2.華云升達(北京)氣象科技有限責任公司,北京 102299)

0 引 言

冰雹災害是由強對流天氣系統引起的一種劇烈的氣象災害[1]。能夠準確觀測冰雹出現的時間、強度變化等信息對天氣觀測、氣象服務有著至關重要的作用。近年來，中國氣象局面向全國建設降水天氣現象儀，推動地面觀測朝著自動化和智能化的方向發展[2～4]。

目前，國外用于冰雹觀測的傳感器有OSI的HIP—100以及Vaisala生產的WXT520。國內在天氣現象系統中可觀測冰雹產品自主研發方面比較薄弱，以產品集成為主，技術風險較大，價格較為昂貴，增加了氣象觀測成本[5,6]。因此，自主研發能夠連續自動觀測的冰雹傳感器對降低對進口傳感器的依賴性，提高國家冰雹防災救災方面的能力有著重要的意義。

1 壓電陶瓷冰雹傳感器原理

在氣象領域主要是通過振動原理和光學原理兩種技術途徑檢測冰雹天象。相比光學式冰雹傳感器，振動式基于壓電陶瓷的冰雹傳感器，信號能量大，與雨滴等其他降水氣象現象具有明顯界限，判斷冰雹的條件更加充分。

本文設計的冰雹傳感器利用壓電陶瓷材料的正壓電效應原理工作。壓電陶瓷敏感元件受到外力作用，表面上產生電荷，實現了機械能到電能的轉換[7,8]。

壓電陶瓷的正壓電效應示意圖如圖1所示。壓電陶瓷材料經過極化處理使與極化方向垂直的兩端出現束縛電荷，束縛電荷會使壓電陶瓷的兩個電極表面產生極性相反的自由電荷，壓電陶瓷敏感芯片呈電中性[9,10]。受到外界沖擊等因素后，壓電陶瓷材料發生形變，極化強度改變，使得上下表面的電勢改變，與表面接觸的兩電極上的部分自由電荷被釋放，電路中產生電荷運動[11]。另外基于壓電陶瓷的敏感材料輸出信號微弱，需要設計電荷放大器電路，將電荷信號轉換成電壓信號，再進一步對信號進行處理。

圖1 壓電效應原理

2 傳感器感應單元設計

感應單元是傳感器測量信號轉換部分，直接決定傳感器能否可靠有效測量冰雹信號。采集的信號還能夠通過處理有效區分其它天氣現象(主要是一定強度以上降水現象)[12]。

2.1 感應鑼片結構設計

冰雹傳感器信號采集頂端采樣接觸面需要準確完整接收冰雹沖擊產生的信號，同時在機械設計上要考慮傳感器材料的表面強度必需耐受冰雹沖擊，具有防腐蝕防塵防水的性能。

冰雹采樣接觸面設計上采用不銹鋼材質(022Cr17Ni12Mo2)，曲面設計為正高斯曲率旋轉拋物面，厚度設計為曲率半徑的1/580。根據拋物面特性，傳感器采集頂端接觸面受到冰雹沖擊，法相加速度指向焦點，這樣保證信號一致性。下部內凹設計，可以有效保護整個產品不受冰雹沖擊力損壞，同時避免了冰雹擊中非金屬鑼片導致信號不均的問題[13]。

為應對無人值守野外環境，適應各種極端復雜天氣現象和環境影響。在傳感器腔內進行了干擾屏蔽和防雷設計有效減弱了外界信號干擾，避免雷電對產品的損傷。適應各種環境應用，增強了生存能力。傳感器結構如圖2所示。

圖2 冰雹傳感器結構外觀

2.2 冰雹信號特征研究[14]

針對冰雹沖擊產生的信號，需要綜合考量壓電陶瓷的介電常數、壓電常數、機械品質因數、彈性常數等因素。設計上以換能參數作為基本標準，對機電耦合系數為0.62，0.52，0.60的三種規格的傳感器芯片進行試驗驗證，其壓電信號如圖3所示。

圖3 三種壓電陶瓷材料壓電特性

由測試數據可以得出，三種壓電陶瓷敏感芯片均能夠采集到冰雹沖擊信號。但是機電耦合系數為0.62的壓電陶瓷敏感芯片采集信號特征不明顯，容易與強降水信號混淆；機電耦合系數為0.52的芯片自身信號穩定性較差，后續判定時容易發生誤判；而機電耦合系數為0.6的壓電陶瓷芯片采集測量的信號穩定，包絡線清晰，響應快，利于后續處理。

3 信號處理系統設計

傳感器信號系統部分主要實現前端信號預處理，信號調理。同時，為在設計上能夠適應實際工作環境應用，還需要對輸出接口進行設計。

信號處理系統設計了多級放大濾波器處理前端模擬信號，有效避免大顆粒降水干擾;采用超擺幅比較器，測量的冰雹信號是一個冰雹撞擊鑼片時產生的電信號的包絡線，該包絡線包含了冰雹的獨特特征，用于計算冰雹數量；進行了電磁兼容(EMC)設計，有效降低野外環境下各種頻率信號的干擾。傳感器工作流程如圖4所示。

圖4 冰雹傳感器工作流程

3.1 信號調理電路設計

傳感器前端設計了基本信號調理，在一級濾波基礎上，因為在冰雹沖擊發生時，輸入電壓瞬間電壓能達到12.7 V，為保護信號調理電路,設計上增加了鉗位二極管，可以將前端輸入信號鉗位在安全的電壓范圍之內。

對于其它較強的降水信號干擾，設計了多級信號調理電路且在信號調理的后端進行多次濾波放大后，可區分較強降水信號，有效提高冰雹的采集精確度，同時可以減少雨的干擾。信號調理電路原理如圖5所示。

圖5 信號調理電路原理

調理部分運放設計上選用封裝小、微功耗、軌至軌的運算放大器。小封裝可以減小電路板的面積，超低的靜態工作電流可以降低整個系統的功耗。在降低功耗的同時在需要達到350 kHz帶寬的情況下具有極高的速度/功率比。

3.2 信號采樣電路設計

信號采樣電路的核心通過超擺幅比較器設計實現。通過分析壓電陶瓷的輸出信號，設計合理的電路參數，有效拾取冰雹信號，區分冰雹信號與其他信號特征，并將信號送入處理器進行識別處理。信號采樣電路原理圖如圖6所示。

圖6 信號采樣電路原理

3.3 接口EMC設計

接口部分選用低壓高速RS—232收發器MAX3232。在3.0～5.5 V供電范圍內，電流低至10 nA，速度高達1 MHz，本身可以提供±15 kV的ESD保護。通信接口上，設計了三端電容濾波器作為第一級EMI濾波，有效降低本機對外的電磁干擾同時阻止外界電磁干擾進入系統內部;第二級電容可以濾除大部分低頻的噪聲干擾;第三級保護采用了NUP2105，提供雙向30 kV(IEC 61000—4—2 規范)350 W的瞬態保護;第四級設計了匹配電阻可以消耗窄電壓脈沖的能量，提高芯片的抗干擾能力，同時還可以匹配阻抗，提高信號通信質量。

3.4 EMC接口設計

接口部分選用美信公司的MAX3232芯片。該芯片是低壓高速RS—232收發器。可以3.0～5.5 V供電，電流低至10 nA，速度高達1 MHz，本身可以提供±15kV的ESD保護。

對外的通信接口上，增加了一些額外的設計來抑制電磁干擾。接口處的三端電容濾波器是第一級EMI濾波，可以有效降低本機對外的電磁干擾,同時阻止外界電磁干擾進入系統內部;第二級電容可以濾除大部分低頻的噪聲干擾;NUP2105是第三級保護，該TVS管提供雙向30 kV(IEC 61000—4—2規范)350 W的瞬態保護;第四級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，同時還可以匹配阻抗，提高信號通信質量。接口電路EMC設計原理如圖7所示。

圖7 接口電路EMC設計原理

4 實驗與數據分析

4.1 模擬實驗設備

設計了一臺符合氣象標準實驗的冰雹模擬裝置，實驗測試條件按照以6 m/s以上速度出射冰球，冰雹模擬裝置如圖8所示。

圖8 模擬實驗裝置與實驗

4.2 模擬實驗處理結果

為完整驗證設計的冰雹傳感器性能，實驗分為2組，第一組實驗通過模擬冰雹和降水，驗證傳感器降水區分能力；第二組與應用的國外傳感器比較，驗證測量準確程度。

在實驗室條件下,模擬冰雹下落和雨滴下落的情況，對產品性能進行檢測，驗證產品能夠檢測出冰雹的信號，同時能夠區分冰雹和雨滴信號。實驗采用冰球撞擊來模擬冰雹下落，冰球直徑為28 mm，由模具凍成，采用加壓噴水的方式模擬強降水。第一組模擬實驗測試結果如表1所示。從表1的實測結果可以看出：設計的壓電陶瓷冰雹傳感器能夠區分固態冰雹沖擊，并可以統計出冰雹的數量。

表1 數量檢測結果

第二組實驗通過設計的冰雹傳感器與維薩拉公司的WXT520傳感器進行了對比測試。對比測試情況如圖8所示，實驗測試結果如表2所示。測試結果顯示，設計的傳感器與維薩拉WXT520產品技術指標相當。

表2 對比測試結果

5 結束語

基于壓電陶瓷的冰雹傳感器可實現自動測量冰雹天氣現象，代替氣象站人工測量，實現自動化測量冰雹。該傳感器可單獨使用,判斷冰雹的發生、統計冰雹的數量；與多要素氣象站聯合應用,有利于氣象綜合觀測以及防災減災。