CN102812384A - 用于校准或测试用于检测水汽凝结体的装置的检测器表面的方法以及校准和测试装置 - Google Patents
用于校准或测试用于检测水汽凝结体的装置的检测器表面的方法以及校准和测试装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及用于对检测水汽凝结体的测量装置(1)的检测器表面(10)进行校准或测试的方法和装置。根据所述方法，以控制方式使冲击聚焦在检测器表面(10)、测量通过测量装置(1)的检测器检测到的由所述冲击引起的响应、将响应的测量值与目标值进行比较，并且分析对于测量装置(1)的设定来说所需要的修正，并且基于所述分析调整测量装置(1)。根据本发明，短持续时间的电磁辐射脉冲(70)被聚焦在检测器表面(10)上，由此这在检测器表面(10)中引起热膨胀反应，所述热膨胀反应由所述检测器检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序与检测水汽凝结体(hydrometeor)的测量装置有关的校准或测试方法。
本发明还涉及一种根据权利要求10用于传感器的校准或测试设备，所述传感器用于检测水汽凝结体。
背景技术
本发明涉及的方案关系到测量呈其各种形态的水(尤其水和冰雹块)的传感器，传感器是基于检测当水汽凝结体撞击检测器表面时产生的机械冲击的。通过传感器产生的信息可以是降水量、降水强度、降水类型、水滴尺寸分布、降水的动能或者能从由水汽凝结体产生的冲击进行计算的一些其它变量。例如，在申请人早先的芬兰专利116424中公开了立即检测撞击检测器表面的水汽凝结体的传感器和方法。
根据现有技术，使用机械的方法、换言之借助于标准尺寸的球或撞击杆(lever striker)通过引导标准的冲击(impulse)，来对测量装置的检测器表面进行校准。这些机械的方案是不可靠的并且易产生误差。
发明内容
本发明是基于以短持续时间和高强度的电磁脉冲来替代机械的碰撞(impact)作用。
根据本发明的一个优选实施方式，电磁脉冲是激光脉冲。
更具体地，根据本发明的用于对检测水汽凝结体的测量装置的检测器表面进行校准的方法，其特征为在权利要求1的特征部分中所陈述的。
就其本身而言，根据本发明的校准设备，其特征为在权利要求10的特征部分中所陈述的。
借助于本发明获得相当多的优势。
附图说明
在下文中，借助于实例并且参考附图来研究本发明。
图1显示出了根据本发明的校准测量装置。
图2显示出了根据本发明的校准测量装置，其不同于图1中所示的校准测量装置。
图3显示出了由测量装置的检测器表面经受的压力，其由通过辐射脉冲所产生的热膨胀引起。
图4显示出了根据本发明一个实施方式的校准装置。
图5显示出了根据本发明第二个实施方式的校准装置。
图6图示地显示出了根据本发明的一个测量信号。
以下是所使用的参考标号以及它们相关术语的清单：
| 序号 | 部件 |
| 1 | 测量装置 |
| 2 | 电子设备 |
| 3 | 检测器 |
| 4 | 算法 |
| 5 | 信号 |
| 10 | 检测器表面 |
| 11 | 激光脉冲 |
| 12 | 压力 |
| 40 | 透镜 |
| 41 | 棱镜 |
| 42 | 能量计 |
| 43 | 脉冲激光器 |
| 44 | 计算机，其中有数据采集卡和分析程序 |
| 45 | 示波器 |
| 46 | 停放水平面(parking level) |
| 47 | 安全盒 |
| 50 | 电源和冷却系统 |
具体实施方式
如从图1和图2可见，测量装置1包括检测器表面10，检测器表面10被设计成测量诸如水和冰雹块等的水汽凝结体20。在出版物FI116424中详细描述了这样的测量装置的结构和操作。当水汽凝结体20撞击检测器表面10时，它们感生出脉冲，其由测量装置的检测器3检测到。基于检测器的脉冲数据，测量电子设备2和计算算法4计算了降水强度以及降水累积量。关于这一点，降水强度指每单位时间(mm/h)的降水积聚，而降水累积量指水在平面上的竖直深度(mm)。结果是从测量装置1获得的电信号5，其描绘了被测量的变量并且其实际上是实时产生的。
接收降水的检测器表面10是刚性的，并且被附接至测量装置的装置主体。该附接可以是完全刚性的，或者借助于O型圈、或相应的挠性连接件来实施。检测器3通常被固定至检测器表面10。通过利用关于所记录的脉冲数量的信息、或者关于脉冲的一些取决于水滴尺寸的特征(诸如振幅或半谱带宽度)的信息、或者关于它们结合的信息进行计算。检测器表面10是平面的、盘状的或半球形的(盖表面)，并且以水不会聚焦在检测器表面上的方式成形。检测器的表面区域10越大，越多的水滴20将撞击它，并且所计算的降水量的统计误差将越小。另一方面，当检测器表面10的区域增加时，更多的撞击将发生，从而使得脉冲将彼此重叠，这将使得解释结果变得更加困难。实际上，用于检测器10的合适尺寸已经被显示为20-150cm2。检测器10也可由若干部分组成，每一个部分附接了其自身的检测器3，检测器3测量由水滴20引起的检测器表面10的变形。对于检测器3，使用例如被附接到检测器表面10的力和加速度传感器、使用在检测器表面上的诸如压电聚偏氟乙烯(PVDF)塑料膜的压敏膜、或者陶瓷压电膜是可能的。理想地，检测器-表面-检测器-系统的响应将是这样的：脉冲的振幅和形状将不取决于水滴20的冲击的位置，即检测表面将是均质的。然而，这不是必要的，因为非均质的响应将仅引起测量中的随机误差，这可以通过使用足够长的积分时间来减少。然而在总体上，检测器3必须是这样的：通过从在检测器表面上的检测器检测到的加载所获得的信息可被机械地传输用于分析。由此，精确的压电膜以及力和加速度传感器在这个意义上来讲是优选的。例如，在压电元件的情形下，可将它的电极连接至位于检测器盒内的电子放大器。当雨滴20或其它水汽凝结体撞击检测器表面10时，力作用在其上，力被转送(forward)至压电元件3，并且检测到在压电元件之上所感生出的电压脉冲。可将经放大的测量信号5(在该情形下是电压脉冲)转送用于进一步处理，例如通过穿过检测器盒的底部的电缆。
如从图3可见，当高能量的短激光脉冲11被引导向检测器表面10时，通过快速热膨胀，它将感生出机械冲击12，机械冲击12的数量级可通过检测器表面的压电传感器进行测量。
如从图4可见，根据本发明的校准设备包括用于将冲击引导向待被校准装置的器具以及用于测量由此引起的响应的器具。根据一个实施方式，校准设备包含用于产生冲击的远程控制的脉冲激光器43以及用于聚焦辐射的器具，借助于脉冲激光器43可以产生电磁辐射的期望脉冲。合适的激光源可以是例如具有波长1064nm、脉冲持续时间约(app.)5ns并且脉冲能量为约400mJ的Nd Yag类型脉冲激光器。此类型的许多激光设备可在商业上大量获得。必须选择具有功率密度的激光点，从而使得光束将不破坏检测器表面。
借助于聚焦器具，脉冲激光器43被设置成将辐射(即激光束)传输至测量装置1来被校准、尤其传输至其检测表面10。这样的聚焦器具可以是例如棱镜41，其被设置成引导辐射从脉冲激光器43朝向测量装置1抵达。根据一个实施方式，透镜40被固定在棱镜41和测量装置1之间，该透镜40将脉冲激光器43的辐射聚焦在测量装置1的检测器表面10上。另外，测量装置1被优选地固定在独立的停放水平面46的顶部上，在该水平面上可以精确地移动测量装置1，以便照射特定的点。停放水平面46优选地是所谓的X-Y平面，其可以在两个方向上水平地移动。
由此，校准设备也包括用于测量测量装置1的响应的器具。根据一个实施方式，用于测量响应的器具包括能量计42以及连接至其的示波器45，示波器45被依次连接至计算机44。能量计42被设置成借助于棱镜41测量由脉冲激光器43传输的辐射，如图4中所示。如有必要，基于其所检测到的辐射，能量计42也可用于向示波器45发送触发信号。另一方面，示波器45被连接至测量装置1，它被设置成从测量装置1接收由脉冲激光器43的辐射所产生的测量信息。示波器测量了测量装置1的测量信息，如有必要其与能量计42的触发信号相联系。最后，示波器45将由触发信号指定(即由一个特定的冲击指定)的测量结果传输至计算机44，在计算机44中分析了该测量结果。计算机44配备有诸如Lab VIEW程序等用于分析测量信号的信号处理程序。除了示波器45，框45可以是任何的数据处理单元，其从触发脉冲以及其来自测量装置1的响应形成了组合信号。因为激光器43可以产生或多或少的恒定数量级的脉冲，另外，使用装置45可确定它们的强度，可基于从其接收的响应来校准测量装置1。
根据本发明的一个实施方式，激光能量计42控制了激光脉冲的能量水平，如有必要，如果脉冲能量移出设定(set)范围，激光能量计42则发送警报。也可将高精度的能量计42用于由激光脉冲所引起的冲击的实时校准。这通过形成在激光脉冲的所测量能量与所谓的参考脉冲能量之间的商(quotient)来进行。将该商用作对由传感器接收的冲击的校准系数。例如，如果所预期的参考脉冲能量是400mJ而所测量能量降至300mJ的水平，由传感器所检测的冲击将通过因子4/3来进行修正。也可用其它的校准模型来代替以上描述的线性校准。
根据一个实施方式，用于使冲击聚焦在待被校准的测量装置1上的器具被装入安全盒47中(图5)。安全盒47被优选为使得其将防止高功率的激光脉冲泄入环境中。安全盒47被设置成在它内部包围将被聚焦在测量装置1上的辐射，从而保护在校准室内进行工作的人员。由此，安全盒47包围了激光能量计42、棱镜41和实际的测量装置1。
根据一个实施方式，校准设备配置有电源以及使电源部件冷却的冷却系统50。
根据图6，激光触发器71在测量装置1中产生信号70，出于校准或测试的目的，从测量装置1测量了例如正响应72或负响应75、峰-峰值73，或者可替换地测量了时窗74的平均值、额定值或频率响应。
Claims (20)
1. 用于对检测水汽凝结体的测量装置(1)的检测器表面(10)进行校准或测试的方法，在所述方法中
- 以控制方式使冲击聚焦在所述检测器表面(10)上，
- 测量通过所述测量装置(1)的检测器检测到的由所述冲击引起的响应，
- 将所述响应的测量值与目标值进行比较，并且分析对于所述测量装置(1)的设定来说所需要的修正，以及
- 基于所述分析调整所述测量装置(1)，
其特征在于，
- 使短持续时间的电磁辐射脉冲(70)聚焦在所述检测器表面(10)上，由此这在所述检测器表面(10)中引起热膨胀反应，所述热膨胀反应由所述检测器检测。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辐射是相干辐射。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辐射是相干激光辐射。
4. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助透镜(40)将所述辐射聚焦在所述检测器表面(10)上。
5. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助棱镜(41) 将所述辐射引导朝向所述检测器表面(10)。
6. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于所述辐射，由光电探测器(42)将触发信号提供给所述测量装置(1)的响应测量及显示器具(45)，测量是基于所述响应测量及显示器具(45)开始的。
7. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用计算机(44)分析测量结果，所述计算机(44)被连接至与所述响应测量器具(45)的远程通信链路。
8. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使被附接到能移动的停放水平面(46)上的所述测量装置(1)被停放，以便通过移动所述停放水平面(46)来接收辐射。
9. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对辐射脉冲(70)的能量进行测量(42)，并且将测量结果用于提高测试或校准的精确度。
10. 校准或测试装置，其包括：
- 器具(43，41，40)，其用于使冲击聚焦在待被校准的测量装置(1)上，尤其聚焦在其检测器表面(10)上，
- 用于测量由被聚焦的冲击所引起的测量装置(1)之响应的器具(45)，
其特征在于，
- 用于聚焦所述冲击的器具(43，41，41)包括用于形成短持续时间的高能量的电磁脉冲的器具(43)。
11. 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，辐射源(43)是激光。
12. 根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，用于聚焦冲击的器具(43，41，40)包括用于将辐射聚焦在待被校准的测量装置(1)上、尤其在其检测器表面(10)上的器具(41，40)。
13. 根据权利要求12所述的装置，其特征在于，用于聚焦辐射的器具(41，40)包括用于引导所述辐射的棱镜(41)。
14. 根据权利要求12所述的装置，其特征在于，用于聚焦辐射的器具(41，40)包括用于将所述辐射聚焦在目标上的透镜(40)。
15. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于测量并且显示所述响应的器具(45)包括示波器。
16. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述校准装置包括光电探测器(42)，所述光电探测器(42)被设置成接收所述辐射源(43)的辐射，基于所述辐射所述光电探测器(42)被设置成将触发信号提供给用于测量[并且显示]所述响应的器具(45)。
17. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光电探测器(42)被设置成接收来自所述棱镜(41)的所述辐射源(43)的辐射。
18. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于分析测量结果的所述器具(44)包括计算机，所述计算机被设置在与所述响应测量器具(45)的远程通信链路中，并且所述计算机配备有计算机程序，所述计算机程序被设置成分析所述响应测量器具(45)的测量结果。
19. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述校准器具包括停放水平面(46)，在所述停放水平面(46)上能安装待被校准的测量装置(1)，并且所述停放水平面(46)被设置成以至少两个自由度移动，以便停放所述测量装置(1)来接收辐射。
20. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于测量辐射脉冲(70)的能量并且用于使用测量结果来提高测试或校准的精确度的器具(42)。
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