CN102393540B - 一种磁悬浮式雨量雨强计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮式雨量雨强计，包括承雨器、磁悬浮支架、应变式传感器、数据处理装置和电源装置。承雨器为圆筒式承雨器，侧面下部开有小孔以利于雨水流出。磁悬浮支架为两副倒U型悬浮脚和四个磁悬浮发生体，悬浮脚呈直角安放，四个磁悬浮发生体和倒U型悬浮脚连接，以保证磁悬浮支架的平稳，应变式传感器为电阻式应变传感器，数据处理装置是基于单片机处理的数据收集处理存储装置，电源装置设计了交流供电和直流供电两种模式。本发明通过应变式传感器将雨滴冲击力转换为电信号，电信号经数据处理装置将数据存储或传输到终端机，以利于数据的利用和查看。本发明对雨量雨强信息实时测量、精度高、结构简单、容易操作。

Description

一种磁悬浮式雨量雨强计

一、技术领域

本发明涉及一种测量雨量雨强的装置，具体地说是涉及一种采用磁悬浮技术进行的雨量雨强测量计。

二、背景技术

目前国内外诸多水文，气象、农林等有关部门在一场降雨的强度测量及其雨量的测量中采用翻斗式雨量计、虹吸式雨量计、电热式雨强计等作为测量工具，虽然对于传统的量筒精度和方法上有所提高，但其结构复杂、机械部件多、价格偏贵，并且其机械部件也较容易产生故障导致测量数据丢失，在测量当中机械运动带来的摩擦难以消除以致测量精度受到影响。此外在使用的雨量计、雨强计中大都存在的分辨率灵敏度低、响应慢、间断测量、误差不断改变，有的只能测平均降雨强度等，在解决灵敏度上存在很多问题。

三、发明内容

本发明针对上述各种雨量雨强计装置提供了一种结构简单、可以不间断、高精度、自动化测量、易于操作的雨量雨强计。

本发明提供的技术方案是:一种磁悬浮式雨量雨强计，包括承雨器、磁悬浮支架、应变式传感器、数据处理装置和电源装置。

上述承雨器为圆筒式承雨器，承雨器下侧开有小孔以利于雨水流出，里面放有承雨盘片，承雨盘片与承雨器之间有一定间隙，承雨盘片和盘稳定轴固定成T型，承雨盘片为半径17.84厘米的轻质塑料盘片，盘稳定轴与磁悬浮支架连接固定。

上述磁悬浮支架包括两副倒U型悬浮脚和四个磁悬浮发生体。倒U型悬浮脚为不易发生形变的轻质塑料制成，两副倒U型悬浮脚呈直角安放与盘稳定轴固定，其两头的下弯角度也呈直角。倒 U型悬浮脚的四只支撑脚各与下面的四个磁悬浮发生体的绕线框连接固定。磁悬浮发生体由线圈、绕线框、永磁铁、硅钢外壳及支撑底座组成。用聚酯漆包线类铜丝线圈采用平铺式绕在方形绕线框表面，并用绝缘胶带固定。线圈与电源装置连接，通过电源装置提供一合适电流I,由于悬浮力F与磁场强度B和电流I的成绩成正比，当F=kBI=G时，k为常数，G为悬浮支架重量，此时磁悬浮支架处于悬浮状态，以此悬浮支架在移动时不产生机械运动所带来的摩擦。绕线框为四面环绕框，其上部加一横梁，横梁中心与倒U型悬浮脚的一只支撑脚相连成固定体。永磁铁放置在绕线框内部，并和绕线框的一面及硅刚外壳平行放置。硅钢外壳为厚度2厘米左右的硅钢片叠放而成，包围着线圈和永磁铁的外壳部分在与永磁铁垂直面和壳底部为塑料材料制成，与永磁铁平行面为硅钢片。其永磁铁发出的磁感线穿过线圈经硅钢外壳形成回路，为线圈提供稳定的磁场。硅钢外壳放在下部的支撑基座上，基座固定在仪器外壳上。在不影响磁场的情况下仪器一些部件可用金属材料制造。

上述应变式传感器为电阻应变式传感器，传感器和盘稳定轴下端接触，传感器包括弹性敏感元件和电阻应变计，弹性敏感元件可以将测得的雨滴冲击力转换为弹性体的应变值，电阻应变计作为传感元件将弹性体的应变值同步地转换为电阻值的变化。把四个电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当的方式组成电桥，电桥电路用全桥差动电路，四个应变片中两个受拉应变，两个受压应变，其减小了非线性误差并具有温度补偿作用。雨滴冲击承雨盘片使悬浮装置下移推动应变计，应变片将受到的力的作用变为电阻的改变量，即将雨量雨强信号转换成电信号。应变式传感器连接到数据处理装置上。

上述数据处理装置为以单片机为核心的处理装置，包括AT89C52单片机、OP07集成运算放大器、MC14051B多路模拟开关、ADC0804模数转换器、DSI225Y非易失性数据存储器、数据处理电源接口和LED显示屏。首先利用OP07集成运算放大器将应变片输出的微弱信号进行初级放大，经过MC14051B多路模拟开关进行分时选通，然后再经过OP07集成运算放大器将信号进行二次放大，经过CSY9.0虚拟仪器软件分析，得到较好的线性关系和灵敏度后，将二次放大后的信号送入ADC0804模数转换器进行模数转换，将转换完得数据输入AT89C52单片机，单片机将数据进行防脉冲干扰平均值滤波、自校准、数据融合处理，最后数据将被存储到非易失性数据存储器DSI225Y中。数据在处理后也会在LED显示屏上显示。数据处理电源接口和电源装置接口连接，收到5v和12v直流电压供其电路正常工作。

上述电源装置包括交流电源、变压器、整流滤波电路、稳压电路、A/D模数转换器、LED显示屏和电源输出接口。利用变压器将220V交流电源变换成符合需要的12V交流电压并送给整流滤波电路，经整流电路后利用单向导电二极管IN4007，把交流电变换成脉动的直流电，然后经滤波电路成为比较平滑的直流电压，再将直流电压再经过集成稳压芯片LM2576-ADJ组成的稳压电路输出稳定直流电压，经电源输出接口连接到数据处理装置和悬浮装置中。稳定直流电压经A/D模数转换器转换后译码数据输出经LED显示屏显示。

上述电源装置还包括直流供电电源，太阳能电源和蓄电池，将太阳能获得的电能储存在蓄电池里面，将其提供的12v电压直接输入到稳压电路，经过稳压芯片LM2576-ADJ组成的稳压电路输出稳定直流电压，经电源输出接口连接到数据处理装置和悬浮装置中。稳定直流电压经A/D模数转换器转换后译码数据输出经LED显示屏显示。利用太阳能电源和蓄电池可以不受地理条件影响为仪器提供电能。

本发明的稳压电路还包括V/I转换电路，将稳定电压经运算放大器LM324、三极管BG9013和负载电阻等元件输出可调节的电流，可调节电流经接口与悬浮装置接口连接，为其提供任何需要的电流。

本发明的稳压电源、应变片等元件也可使用其它灵敏度更高的产品，仪器的其它一些部件也可使用金属制造，考虑到成本问题，本发明暂使用上述元件。

本发明通过应变式传感器将降雨冲击承雨盘片的信号转换为电信号，该信号提供给数据处理装置，数据处理装置将收集到的降雨信号存储在存储器DSI225Y中，收集到的信号是雨滴冲击承雨盘片上下移动数据，将数据输入到计算机，根据公式                                               

，其中p为降雨强度，k、a、b为常数，F为风速，x为存储器获得的数据。其常数要经过在不同地区试验数据进行率定，例如在森林区，山区等数值将有不同。计算得到的数据呈波动型锯齿状，将其点在直角坐标系中就得到时间-降雨强度曲线，曲线和x轴的闭合面积即雨量值。根据时间—雨强曲线进行雨量计算即可得到任意时刻雨量。

本发明由于采用磁悬浮式承雨盘片大大减小了仪器工作时的机械运动阻力，使测量精度提高。采用无线传输技术可以实时获得数据，数据存储器又为避免数据在无线传输中丢失保留了原始数据。

四、附图说明

图1是本发明的结构框图

图中：1圆筒式承雨器、2承雨盘片、3盘稳定轴、4倒U型悬浮脚节点、5倒U型悬浮脚、6电阻应变式传感器、7传感器支撑支柱、8数据处理装置支柱、9数据处理装置、10电缆线、11悬浮装置刚性外壳、12永磁铁、13绕线框、14线圈、15导线、16数据处理电源接口、17磁悬浮电源接口、18仪器外壳。

五、具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细的描述：

参见图1，本发明包括圆筒式承雨器1、承雨盘片2、盘稳定轴3、倒U型悬浮脚节点4、倒U型悬浮脚5、电阻应变式传感器6、传感器支撑支柱7、数据处理装置支柱8、数据处理装置9。

如图1所示，本发明的圆筒式承雨器1安放在仪器外壳18上，承雨器1侧下部开有小孔利于雨水流出。承雨盘片2为半径17.84厘米的硬质塑料盘片，放置在承雨器1内部，与承雨器1不接触，盘稳定轴3固定在承雨盘片2中心点作为支撑。盘稳定轴3插在仪器外壳中心开孔的地方，盘稳定轴3中上部与两副倒U型悬浮脚5经过倒U型悬浮脚节点4连接固定，盘稳定轴3底端与电阻应变式传感器6的一端点接触，无雨时不产生压力。两副倒U型悬浮脚5呈直角安放，从而在悬浮状态时四个方向提供相同的悬浮力保证了承雨盘片2的平衡。倒U型悬浮脚5的四只支撑脚分别与各绕线框13的中点连接，线圈14绕在绕线框13外部，并用绝缘胶带固定，导线15一端和线圈14连接，另一端连接到磁悬浮电源接口17，磁悬浮电源接口17和外部的电源装置连接。永磁铁12放置在绕线框13内部，并和绕线框13一面及悬浮装置硅钢外壳11平行，悬浮装置刚性外壳11为两面厚2厘米左右的硅钢片叠放和另外两面为塑料材料制造而成，其永磁铁12发出的磁感线穿过线圈14经硅钢片形成回路，为线圈14提供稳定的磁场。为保证磁场的稳定可选用尺寸较大的永久磁铁，以便在线圈14上产生较强和均匀分布的磁场。以此，较少的线圈匝数和较小的电流I就能产生足够的电磁力供悬浮支架处于悬浮，有利于降低电路的功耗、稳压电流的负荷和对于磁场的温度影响，并且易于加工实现。悬浮装置刚性外壳11固定在下部的基座上，基座固定在仪器外壳18上。

本发明的电阻应变式传感器6采用四个电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上组成，然后以适当的方式组成电桥，电桥电路用全桥差动电路，四个应变片中两个受拉应变，两个受压应变，雨滴冲击承雨盘片使悬浮装置下移推动应变计，应变片将受到的力的作用变为电阻的改变量，将雨量雨强信号转换成电信号。电阻应变式传感器6连接到数据处理装置9上，并用传感器支撑支柱7固定在数据处理装置9外壳上。数据处理装置9经数据处理装置支撑支柱8固定在仪器外壳18上。数据处理装置9经电缆线10连接到数据处理电源接口16，然后和电源装置连接。

本发明的数据处理装置包括CSY9.0虚拟仪器软件和AT89C52单片机、OP07集成运算放大器、MC14051B多路模拟开关、ADC0804模数转换器、DSI225Y非易失性数据存储器、数据电源接口和LED显示屏。首先利用OP07集成运算放大器将电阻应变式传感器6输出的微弱信号进行初级放大，经过MC14051B多路模拟开关进行分时选通，然后再经过OP07集成运算放大器将信号进行二次放大，经过CSY9.0虚拟仪器软件分析，得到较好的线性关系和灵敏度后，将二次放大后的信号送入ADC0804模数转换器进行模数转换，将转换完得数据输入AT89C52单片机，单片机将数据进行防脉冲干扰平均值滤波、自校准、数据融合处理，最后数据将被存储到DSI225Y非易失性数据存储器中。数据在处理后也会在LED显示屏上显示。数据电源接口经电缆线10与电源装置连接，收到5v和12v直流电压供其电路正常工作。

本发明的电源装置包括变压器、直流供电器、整流滤波电路、稳压电路、A/D模数转换器、LED显示屏和电源输出接口。变压器将220V交流电源变换成12V交流电压并送给整流滤波电路，整流滤波电路利用单向导电二极管IN4007，把交流电变换成脉动的直流电，然后经滤波电路成为比较平滑的直流电压，再将直流电压再经过集成稳压芯片LM2576-ADJ组成的稳压电路输出稳定直流电压，经电源输出接口连接到数据处理电源接口16、磁悬浮电源接口17中。稳定直流电压经A/D模数转换器转换后译码数据输出经LED显示屏显示。也可以直接由直流供电器将直流电输入稳压电路处理。稳压电路中V/I转换电路输出可调节的电流，可调节电流经电源输出接口与磁悬浮电源接口17连接，为其提供任何需要的电流以保证悬浮装置处于悬浮状态。

本发明的LED显示屏可以实时显示数据，同时还可以通过有线或无线通信GPRS电路将雨量雨强信息传输出去。以利于实时数据的查看。

Claims (2)

1. 一种磁悬浮式雨量雨强计，包括承雨器、磁悬浮支架、应变式传感器、数据处理装置和电源装置，其特征在于：所述承雨器为圆筒式承雨器，承雨器下侧开有小孔，里面放有承雨盘片，承雨盘片与承雨器之间有一定间隙，承雨盘片和盘稳定轴固定成T型，盘稳定轴与磁悬浮支架连接固定；所述磁悬浮支架包括两副倒U型悬浮脚和四个磁悬浮发生体，两副倒U型悬浮脚呈直角安放与盘稳定轴固定，两副倒U型悬浮脚两头的下弯角度也呈直角，磁悬浮发生体由线圈、绕线框、永磁铁、硅钢外壳及支撑底座组成，倒 U型悬浮脚的四只支撑脚各与下面的四个磁悬浮发生体的绕线框连接固定。

2. 根据权利要求1所述的磁悬浮式雨量雨强计，其特征在于：所述承雨盘片的半径为17.84厘米。

3. 根据权利要求1或2所述的磁悬浮式雨量雨强计，其特征在于：所述承雨盘片用不易形变的轻质塑料制成。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮式雨量雨强计，其特征在于：所述倒U型悬浮脚用不易形变的轻质塑料制成。

5. 根据权利要求1所述的磁悬浮式雨量雨强计，其特征在于；所述绕线框为四面环绕框，其上部加一横梁，横梁中心与倒U型悬浮脚的一只支撑脚相连成固定体。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮式雨量雨强计，其特征在于：所述永磁铁放置在绕线框内部，并和绕线框的一面及硅刚外壳平行放置。

 

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