CN103439759A - 调速旋转式降水粒子标准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了调速旋转式降水粒子标准装置，包括模拟降水粒子单元和降水粒子控制单元，模拟降水粒子单元由一组与真实降水粒子透射性质一致的降水粒子贴片组成，模拟降水粒子贴片取自于不同大小的雨滴、不同形状的雪花和冰雹等形成的图像；降水粒子控制单元包括微控制器、底座平台、支架、旋转轴臂、步进电机、透明盘，步进电机带动透明盘绕旋转轴臂旋转、绕旋转轴臂由支架支承；模拟降水粒子单元固定在透明盘上，在步进电机的带动下以可调节的一定速度旋转，降水粒子的运动速度由降水粒子的位置和透明盘旋转速度决定。本发明能够模拟并精确控制不同类型降水粒子的形状、尺度和速度，为检验光学降水传感器的性能和精度提供可靠依据。

Description

调速旋转式降水粒子标准装置

技术领域

本发明涉及一种可模拟真实降水粒子微物理特征的调速旋转式降水粒子标准装置，主要用于气象自动化测量的标定中，为降水粒子微物理特征测量提供一个标准的、可控的、与真实降水相一致的参考环境。

背景技术

气象学中对降水现象的描述可以分为宏观量和微观量两种，其中降水量、降水强度、降水时数及其时空分布属于宏观量，降水粒子的大小、形状、速度、相态、构成、谱分布等属于微观量。准确观测降水的宏观量和微观量，对于气象科学研究、灾害性降水监测与预警、人工影响天气、土壤侵蚀和山体滑坡等有着重要的意义。

降水特征量的标准装置是检验降水测量仪器准确度、保证测量精度的重要基础，因此其精度必须高于降水测量仪器的精度。目前，流量式标准雨量检定装置是对翻斗式雨量计、称重式雨量计等电子式雨量传感器进行检定的主要装置，利用先进的步进电机精确控制活塞进行抽水和放水，但只能控制水流的总量和流速，而无法控制雨滴的大小和速度，不具备对光学降水传感器定标的能力。对于降水微观量，目前大多采用与雨滴性质相近的玻璃球模拟降水粒子，但不能模拟速度。德国的二维灰度光电阵列探测器（2D-Grey Optical Array Probe）采用将电机驱动旋转透明玻璃盘，玻璃盘上固定72个位置放置不透明圆点来对粒子图像的尺度及其速度进行定标，但是最大直径仅有0.5mm，不能覆盖全尺度降水粒子；瑞士的降水粒子速度与形状探测器（HydrometeorVelocity and Shape Detector）采用类似原理，利用电机驱动塑胶玻璃盘，某一位置固定一透明条，其上有一实心球，这两种方法均只能模拟圆球，而无法模拟其他形状和透明度的降水粒子。目前国内外应用较为广泛的Joss-Waldvogel雨滴谱仪、OTT PARSIVEL激光雨滴谱仪等均没有模拟标准装置。目前尚没有能够模拟真实降水粒子的尺度、速度及其谱分布的标准装置，是导致雨滴谱仪测量精度难以判断的主要原因。

随着天气雷达地面标定、人工影响天气作业评估、强降水监测与预警等方面对降水微物理特征的需求不断增加，各种雨滴谱仪广泛应用于气象、水文等领域。但是难以评估多种仪器对降水微物理特征的测量一致性和准确性，迫切需要能够模拟真实降水粒子的形状、尺度、速度及其谱分布等微物理特征的降水粒子标准装置。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的缺点和不足，提供一种能够模拟真实降水粒子的形状、尺度、速度等微物理特征的调速旋转式降水粒子标准装置，为降水粒子微物理特征的测量提供标准参考。

本发明的技术方案是：包括模拟降水粒子单元和降水粒子控制单元，模拟降水粒子单元由一组与真实降水粒子透射性质一致的模拟降水粒子贴片组成，模拟降水粒子贴片取自于不同大小的雨滴、不同形状的雪花和冰雹等形成的图像；降水粒子控制单元包括微控制器、底座平台、支架、旋转轴臂、步进电机、透明盘，步进电机带动透明盘绕旋转轴臂旋转、绕旋转轴臂由支架支承；模拟降水粒子单元固定在透明盘上，在步进电机的带动下以可调节的一定速度旋转，降水粒子的运动速度由降水粒子的位置和透明盘旋转速度决定。模拟降水粒子固定在透明盘上，在步进电机的带动下以可调节的一定速度旋转，降水粒子的运动速度由降水粒子的位置和旋转速度决定，此外，降水粒子的形状和尺度由模拟降水粒子单元决定，从而综合实现对降水粒子的形状、尺度、速度等微物理特征的精确模拟和控制。光学降水测量仪器的定标时直接以模拟降水粒子单元的模拟降水粒子贴片给出的图像为准。

如图1所示。其中核心部件是与真实降水性质相一致的模拟降水粒子单元。模拟降水粒子具有不同的大小和形状，将其固定到透明盘的不同位置，在步进电机的带动下以一定的角速度旋转，降水粒子的位置和旋转速度决定了降水粒子的运动速度。通过选择不同大小、不同形状和不同密度的降水粒子，可以实现对真实降水粒子的尺度、形状、密度、速度等微物理特征的模拟与控制。

进一步的，模拟降水粒子贴片不仅限于透明圆球，更包括不同大小、不同形状、不同透明度的雨滴、雪花、冰雹等复杂类型降水粒子。

进一步的，模拟降水粒子的尺度介于0.1mm～10mm之间，可以固定在透明盘任意位置，精确控制模拟降水粒子的位置。

进一步的，步进电机的转速由微控制器发出的脉冲驱动信号控制，带动透明盘和模拟降水粒子传动，精确控制模拟降水粒子的切线速度。

进一步的，支架底部置于平行基座轨道上，在基座轨道内自由滑动，可精确控制模拟降水粒子在采样空间内的水平位置。

本发明的有益效果是：为光学降水测量仪器的定标提供降水粒子标准装置，在进行定标和测试时，能够模拟并精确控制不同类型降水粒子的形状、尺度和速度，为检验光学降水传感器的性能和精度提供可靠依据。该装置操作简便、硬件成本低、控制精度高、实用性强、便于推广。

附图说明

图1是本发明旋转调速式降水粒子标准装置的结构示意图；

图2是模拟降水粒子图像范例图，图中a、b、c分别表示球形雨滴、变形雨滴和雪花。

具体实施方式

参见图1，1.微控制器；2.底座平台；3.滑轨；4.支架；5.步进电机；6.旋转轴臂；7.透明盘；8.模拟降水粒子；9.固定轴臂；10.支架；11.滑轨；12.底座平台。

调速旋转式降水粒子标准装置包括微控制器1，微控制器与步进电机5连接，控制其转速，模拟降水粒子8固定到透明盘7任意位置，降水粒子的位置和转速决定了降水粒子的切线速度。

微控制器1通过输出一定频率的脉冲信号，通过发出的脉冲驱动信号精确控制步进电机5的转动速度和加速度。

滑轨3、11为液压滑轨，长度为50厘米，支架4可以在滑轨上自由滑动，根据测试需要进行位移调整。

支架4、10自由升降式支架，根据测试仪器的不同高度进行调整。

旋转轴臂5、9可以自由伸缩，根据测试需要在采样空间内左右移动。

透明盘7是一个透过率很高的透明圆盘，其中心与旋转轴臂6固定，随步进电机5的转动进行旋转。

参见图2，a、b、c分别表示球形雨滴21、变形雨滴22和雪花23。

模拟降水粒子包括球形雨滴21、变形雨滴22和复杂形状雪花23分别具有不同的尺度、透明度和形状，分别对应于实际降水粒子特性相一致的尺度、透明程度和形状。

在进行仪器测试和定标时，具体实施步骤如下：

1）分别设置不同形状、不同大小和不同透明度的降水粒子。

2）将调速旋转式降水粒子标准装置放置于略高于被测传感器（如光学传感器的镜头，图像由CCD或CMOS光电图像采集器接收）位置，透明盘穿过传感器采样区域；

3）选择某一降水粒子，将其固定在透明盘某一位置；

4）通过计算机终端控制微控制器，输出某一频率的脉冲信号；

5）开启电源和被测传感器，使被控降水粒子穿过采用区域；

6）根据粒子距转轴位置和转速计算得到降水粒子的速度；

7）分别设置降水粒子的不同位置、大小、形状和透明度，重复步骤（3—6），对光学降水传感器进行定标和测试。

虽然上述说明描述了完整的实施例，但并不限于上述举例。本领域的技术人员，在本发明的实质范围，做出的变型、修改或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.调速旋转式降水粒子标准装置，其特征在于：包括模拟降水粒子单元和降水粒子控制单元，模拟降水粒子单元由一组与真实降水粒子透射性质一致的降水粒子贴片组成，模拟降水粒子贴片取自于不同大小的雨滴、不同形状的雪花和冰雹等形成的图像；降水粒子控制单元包括微控制器、底座平台、支架、旋转轴臂、步进电机、透明盘，步进电机带动透明盘绕旋转轴臂旋转、绕旋转轴臂由支架支承；模拟降水粒子单元固定在透明盘上，在步进电机的带动下以可调节的一定速度旋转，降水粒子的运动速度由降水粒子的位置和透明盘旋转速度决定。

2.根据权利要求1所述的调速旋转式降水粒子标准装置，其特征在于：通过选择模拟降水粒子单元不同大小、不同形状和不同密度的降水粒子贴片，实现对真实降水粒子的尺度、形状、密度、速度等微物理特征的模拟与控制。

3.根据权利要求1所述的调速旋转式降水粒子标准装置，其特征在于：模拟降水粒子图像包括圆球，不同大小、不同形状、不同透明度的雨滴、雪花、冰雹等复杂类型降水粒子图像。

4.据权利要求1所述的调速旋转式降水粒子标准装置，其特征在于：模拟降水粒子图像的尺度介于0.1mm～10mm之间，固定在透明盘任意位置。

5.根据权利要求1所述的调速旋转式降水粒子标准装置，其特征在于：步进电机的转速由微控制器发出的脉冲驱动信号控制，带动透明盘和模拟降水粒子传动，精确控制模拟降水粒子的切线速度。

6.根据权利要求1所述的调速旋转式降水粒子标准装置，其特征在于：支架底部置于平行基座轨道上，在基座轨道内自由滑动，可精确控制模拟降水粒子在采样空间内的水平位置。

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