CN103926636B - 基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可实时获取降雨量信息的数据处理系统，包括依次相连的雨滴碰撞钢盖、安装在钢盖底面上的压电加速度传感器、电荷信号放大器、A/D模数转换器、MCU微处理器；雨滴碰撞钢盖表面，安装在钢盖底面上压电加速度传感器的压电片上产生与雨滴加速度成比例大小的电荷信号，电荷信号放大器先将电荷信号转换成电压信号，再经信号滤波处理、信号放大处理、AD模数转换，然后将转换后的数字信号送到MCU微处理器对信号进行运算处理，得到一段时间内的累计降雨量、降雨持续时间、降雨强度等数据，最后通过RS232串口把数据传输到计算机上。本发明系统具有结构简单、使用寿命长、不需要人工维护、精度高和准确度高等优点。

Description

基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统

技术领域

本发明属于数据处理领域，涉及雨量数据处理系统，具体的涉及基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统。

背景技术

现有的雨量器或雨量计都存在着明显的缺陷，如：测量精度差、测量误差随降雨强度的变化而剧烈变化、受外界随机因素影响大、安装调整繁琐，使用中进行规范检定困难，无法适应现代化气象观测业务需求，不能满足观测数据的高精度和高稳定性的要求。

目前雨量器或雨量计所使用的传感器，由于其本身存在的固有原理和构造上的缺陷，分辨率越高，在大暴雨条件下系统测量精度就越差。

压电式加速度传感器是一种自发电式传感器，它以电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而能实现非电量电测的目的。

发明内容

本发明的目的是为解决现有雨量测量技术的缺陷，提供一种测量精度高、准确度高且可实时获取降雨量信息的数据处理系统。

本发明为实现发明目的采用的技术方案是：

基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统，包括依次相连的碰撞钢盖、安装在碰撞钢盖底面上的压电加速度传感器、电荷信号放大器、A/D模数转换器、MCU微处理器；系统工作时，雨滴碰撞钢盖表面，压电加速度传感器的压电片上产生与雨滴加速度成比例大小的电荷信号，电荷信号放大器将电荷信号处理后形成模拟电压信号，再将模拟电压信号送到A/D模数转换器转换成数字信号，然后将数字信号送到MCU微处理器对数字信号进行运算处理，得到一段时间内的累计降雨量、降雨持续时间、降雨强度等数据，最后通过RS232串口把数据传输到计算机上并显示出来。

所述的电荷信号放大器，包括电荷信号-电压信号转换电路、归一化电路、二阶低通滤波电路、一阶高通滤波电路和电压信号放大电路；电荷信号放大器将电荷信号处理后形成模拟电压信号步骤包括：电荷信号-电压信号转换电路先将电荷信号转换成电压信号，归一化电路确保电压稳定性，再经过二阶低通滤波电路和一阶高通滤波电路的滤波处理把混杂在有用信号中的噪声信号滤除掉，最后电压信号放大电路把滤除噪声信号后的电压信号放大，形成模拟电压信号。

所述的对数字信号进行运算处理，包括选值、累加、公式运算；具体为，当采样得到的数值大于设定最小值而且小于设定最大值时，对采样值求和得到累计降雨量，当前降雨时间减去起始降雨时间得到降雨持续时间，累计降雨量除以降雨持续时间得到降雨强度。

所述的A/D模数转换器为适合高精度测量的16位Σ-Δ型的AD7792芯片。

所述的MCU微处理器为基于ARMCortex-M3内核的STM32F103ZET6芯片。

所述的电荷信号-电压信号转换电路由第一运算放大器和反馈网络组成。

所述的反馈网络为在第一运算放大器的反相端和输出端串接由一个电阻和一个电容组成的并联电路。

所述的归一化电路是由第二运算放大器和串接在第二运算放大器反相端和输出端之间的可变电阻器组成的电路。

所述的二阶低通滤波电路由R6、R7、C8、C9构成的两阶RC网络和第三运算放大器组成，一阶高通滤波电路由C10、R11构成的一阶RC网络和第四运算放大器组成。

所述的电压信号放大电路由R12、R13以及第四运算放大器组成。

本发明的原理是：压电加速度传感器的压电材料（如石英晶片或压电陶瓷片）受到机械载荷时，会在其特定的表面上产生电荷信号，其电荷量大小与所受到的载荷成正比，即Q＝d_ij×F＝d_ij×ma，式中d_ij是二阶压电张量，m为传感器整体质量。雨滴碰撞压电材料产生电荷信号，通过转换电路可测量出碰撞产生的电荷量大小，根据公式（其中d_ij、m都已知），进而可推算出雨滴碰撞钢盖的加速度大小，又根据雨滴碰撞钢盖的加速度与雨滴直径之间的关系(其中d为雨滴直径大小，m为传感器整体质量，g为雨滴密度)，即可推算出雨滴的直径大小，再根据雨滴直径与雨滴质量之间的关系可算出雨滴质量，这样每个碰撞的雨滴信号就可以转换成累积的降雨量，降雨持续时间为从雨滴碰撞钢盖表面开始到雨滴停止碰撞钢盖表面的时间差值，相应的降雨强度为一段时间内累计降雨量与降雨持续时间的比值。推算过程为：

动量方程为：m₁·v₁＝m₂·v₂ （1）

雨滴速度计算公式：v₁＝3.79d^0.60 （2）

雨滴质量公式： $m_1=\frac{1}{6}{\mathrm{\πgd}}^3---\left(3\right)$

加速度公式： $a=\frac{F}{m_2}---\left(4\right)$

根据离心力公式得： $a=\frac{m_1\·v_1}{m_2}---\left(5\right)$

m₁·v₁＝a·m₂ （6）

将(2)、(3)式带入(6)式得：

$\frac{3.79}{6}{\mathrm{\πgd}}^{3.60}=a\·m_2---\left(7\right)$

由于加速度a可以转换为电荷测量得出，而传感器整体质量m2、雨滴密度g为已知，故能通过（7）式计算出雨滴直径大小d，从而通过(3)式可推算出雨滴质量m₁。

累计降雨量公式：m＝Σm_i （8）

降雨持续时间公式：t＝t₂-t₁ （9）

降雨强度公式：

上式中m₁为单个雨滴质量；v₁为雨滴最终速度；m₂为传感器整体质量；v₂为传感器整体速度；d为雨滴直径；g为雨滴密度；a为雨滴加速度；m_i为某一时刻单个雨滴质量，t₁为雨滴碰撞钢盖表面开始时刻，t₂为雨滴碰撞钢盖表面结束时刻，m为累计降雨量，t为降雨持续时间，i为降雨某一时刻。

电荷信号-电压信号转换电路：压电加速度传感器属于电容性传感器，电容性传感器可等效为因存储电荷而产生的电动势与一个输出电容串联。本发明中使用的电荷信号-电压信号转换电路可以将雨滴碰撞产生的电荷信号转换成电压信号，便于后续电路的滤波处理、A/D模数转换等操作。

归一化电路：更换压电加速度传感器时，同样的振动量，因压电加速度传感器的灵敏度不同，其输出的电荷量也不同，这将导致电荷信号-电压信号电路输出的电压大小不相同，考虑到系统的实用性和通用性，本发明中设计了归一化电路。归一化电路能保证接入不同压电传感器时，输出结果一致，即对应于同一质量、同一加速度的雨滴作用于钢盖表面，不同压电传感器经过归一化电路后能得到同一大小的电压值。

滤波电路：压电传感器上产生的信号经过电荷信号-电压信号转换电路处理后，信号中包含有高频噪声、低频噪声对有用信号造成失真和干扰。二阶低通滤波器能够使无用的高频分量受到较大的衰减，而只能让低频交流分量通过，同时一阶高通滤波器能够减小直流漂移的影响，能很好地将信号中的直流部分滤除。

压电加速度传感器的输出信号可以是电荷信号，也可以是电压信号。因此，压电加速度传感器可以连接电荷信号放大器或电压信号放大器。

本发明的有益效果为：本发明能探测单个雨滴碰撞压电传感器产生的电荷信号大小，根据电荷量大小与雨滴碰撞压电传感器的加速度大小关系、加速度大小与碰撞雨滴的直径大小的关系，以及碰撞雨滴的直径大小与碰撞雨滴的质量的关系，每个雨滴信号可以直接转换成碰撞的雨滴质量，统计每个雨滴质量可以得到一段时间内的累计降雨量，根据雨滴碰撞压电传感器的起始时刻和结束时刻，可以得到降雨持续时间，根据累计降雨量和降雨持续时间，可以得到一段时间内的降雨强度。应用该系统的雨量计可实时获取累计降雨量、降雨持续时间、降雨强度等雨量数据。该发明具有系统结构简单、使用寿命长、不需要人工维护、精度高和准确度高等优点。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是电荷信号-电压信号转换电路原理图。

图3是归一化电路原理图。

图4是二阶低通滤波电路原理图。

图5是一阶高通滤波电路及输出放大电路原理图。

图6是系统电源电路原理图。

图7是系统核心电路原理图。

图8是模数转换芯片AD7792与微处理器芯片的接口电路原理图。

图9是232串口电平转换及接口电路原理图。

图10是本发明的雨量数据处理程序流程图。

图11是运行在计算机上的雨量数据接收显示软件显示降雨数据信息示例图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细介绍

如图1所示，雨滴碰撞钢盖表面，安装在钢盖底面上的压电加速度传感器上产生与雨滴加速度成比例大小的电荷信号，电荷信号放大器先将电荷信号转换成电压信号，再经过滤波处理把混杂在有用信号中的噪声信号滤除掉，最后把滤除噪声信号后的电压信号放大，放大后的模拟电压信号送到A/D模数转换器转换成数字信号，然后将转换后的数字信号送到MCU微处理器对信号进行运算处理，得到一段时间内的累计降雨量、降雨持续时间、降雨强度等数据，最后通过RS232串口把数据传输到计算机上进行显示。

如图2所示，电荷信号-电压信号转换电路的作用是将压电加速度传感器输出的电荷信号Q转换成电压信号V。这部分电路由第一运算放大器和反馈网络组成。与此同时电容C4和R2、C5并联电路相串联，作用是隔离掉压电加速度传感器的零漂。

如图3所示，归一化电路的作用是当对应于同一质量、同一加速度的雨滴作用于钢盖表面，不同压电传感器经过归一化电路后能得到同一大小的电压值。调节可变电阻R4即可使每个压电传感器输出的电压OUT2大小一样。

如图4所示，二阶低通滤波电路的作用是让低频交流信号通过，使无用的高频分量受到较大的衰减，这样就可以补偿压电加速度传感器引起的高频幅频特性。其中，R₉=R₁₀=10KΩ，故带内增益为2；R₆=R₇=16KΩ，C₈=C₉=0.01uF，故电路幅频特性中截止频率为1KHz，即该电路允许通过的信号频率范围为0～1KHz。

如图5所示，一阶高通滤波电路及输出放大电路的作用是：一方面高通滤波电路，可以将信号中的直流分量滤除掉，本发明中高通滤波器电路由R11、C10组成的RC电路和第三运算放大器组成；另一方面因信号经过高通滤波器，信号有衰减，所以使用R12、R13和第三运算放大器组成同相电压放大电路对信号进行适当的放大。

如图6所示，系统电源包括要使用到的+12V、-12V、+5V、+3.3V。其中+12V、-12V、+5V可以从已有的稳压开关电源处得到，本发明中使用AMS1117芯片把+5V电压转换为+3.3V电压，为核心处理电路提供电源。

如图7所示，系统核心电路是整个雨量数据处理系统的关键部分，包括以微处理器STM32F103ZET6为核心的电源电路、晶振电路、复位电路，以及JTAG下载电路。

如图8所示，本发明通过STM32F103ZET6外接AD7792模数转换芯片对经过滤波处理过后的模拟信号进行数字采集，该芯片通过SPI总线的形式与STM32F103ZET6进行数据交互。

如图9所示，该电路是232串口电平转换及接口电路图，微处理器通过RS232串口把处理得到的累计降雨量、降雨持续时间以及降雨强度等雨量数据传送到计算机。

如图10所示，该雨量数据处理系统程序的思想是通过AD7792模数转换芯片对雨量采集电路输出的信号进行采样，然后通过算法，即当采样得到的数值大于设定最小值（有降雨产生）而且小于设定最大值（强噪声干扰）时，对采样值求和得到累计降雨量，当前降雨时间减去起始降雨时间得到降雨持续时间，累计降雨量除以降雨持续时间得到降雨强度，最后将累计降雨量、降雨持续时间、降雨强度数据送给计算机上位机软件进行实时显示。

如图11所示，该雨量数据接收显示软件显示接收到的雨量数据信息示例，包括累计降雨量、降雨持续时间、降雨强度等数据信息。

上述实施例中所述的第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器分别由一片TL084芯片运算放大器构成。

Claims (9)

1.基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统，其特征在于：包括依次相连的碰撞钢盖、安装在碰撞钢盖底面上的压电加速度传感器、电荷信号放大器、A/D模数转换器、MCU微处理器；系统工作时，雨滴碰撞钢盖表面，压电加速度传感器的压电片上产生与雨滴加速度成比例大小的电荷信号，电荷信号放大器将电荷信号处理后形成模拟电压信号，再将模拟电压信号送到A/D模数转换器转换成数字信号，然后将数字信号送到MCU微处理器对数字信号进行运算处理，得到一段时间内的累计降雨量、降雨持续时间、降雨强度，最后通过RS232串口把数据传输到计算机上并显示出来；

所述的电荷信号放大器，包括电荷信号-电压信号转换电路、归一化电路、二阶低通滤波电路、一阶高通滤波电路和电压信号放大电路；电荷信号放大器将电荷信号处理后形成模拟电压信号步骤包括：电荷信号-电压信号转换电路先将电荷信号转换成电压信号，归一化电路确保电压稳定性，再经过二阶低通滤波电路和一阶高通滤波电路的滤波处理把混杂在有用信号中的噪声信号滤除掉，最后电压信号放大电路把滤除噪声信号后的电压信号放大，形成模拟电压信号。

2.根据权利要求1所述的基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统，其特征在于：所述的对数字信号进行运算处理，包括选值、累加、公式运算；具体为，当采样得到的数值大于设定最小值而且小于设定最大值时，对采样值求和得到累计降雨量，当前降雨时间减去起始降雨时间得到降雨持续时间，累计降雨量除以降雨持续时间得到降雨强度。

3.根据权利要求1所述的基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统，其特征在于：所述的A/D模数转换器为适合高精度测量的16位Σ-Δ型的AD7792芯片。

4.根据权利要求1所述的基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统，其特征在于：所述的MCU微处理器为基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103ZET6芯片。

5.根据权利要求1所述的基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统，其特征在于：所述的电荷信号-电压信号转换电路由第一运算放大器和反馈网络组成。

6.根据权利要求5所述的基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统，其特征在于：所述的反馈网络为在第一运算放大器的反相端和输出端串接由一个电阻和一个电容组成的并联电路。

7.根据权利要求1所述的基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统，其特征在于：所述的归一化电路是由第二运算放大器和串接在第二运算放大器反相端和输出端之间的可变电阻器组成的电路。

8.根据权利要求1所述的基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统，其特征在于：所述的二阶低通滤波电路由电阻R6、电阻R7、电容C8、电容C9构成的两阶RC网络和第三运算放大器组成，一阶高通滤波电路由电容C10、电阻R11构成的一阶RC网络和第四运算放大器组成。

9.根据权利要求1所述的基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统，其特征在于：所述的电压信号放大电路由电阻R12、电阻R13以及第四运算放大器组成。