CN106918848A - 一种冰雹传感器 - Google Patents

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张弛
刘钧
李旭光
杨毕宣
张彬彬
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Abstract

本发明提供一种冰雹传感器，包括传感器感应锣片、锣片固定支架、压电陶瓷传感器、密封圈、测量电路、传感器基座连接件一、传感器基座连接件二、基座、程序烧写航空插头、主通讯航空插头、顶丝、固定孔胶垫和支柱。本发明采用多级放大滤波的前端模拟信号处理方法，可以避免大颗粒降水的干扰，准确测得冰雹的发生。采用超摆幅比较器，测量的冰雹信号是一个冰雹撞击锣片时产生的电信号的包络线，该包络线包含了冰雹的独特特征，利于计算冰雹数量。进行EMC电磁兼容设计，有效降低野外环境下各种频率信号的干扰。

Description

一种冰雹传感器
技术领域
本发明涉及一冰雹传感器。
背景技术
冰雹天气现象的观测是地面气象观测中最基本的项目之一，观测冰雹对天气预报、气候变化分析和防灾减灾等社会公众服务都有重要意义。冰雹传感器主要用以检测冰雹的发生、统计冰雹的数量，为天气现象综合判定提供依据。检测冰雹的技术可行的方法有振动式的和光学式的。振动式传感器相比光学式的传感器判断冰雹的条件更加充分，因其信号能量大，与雨滴等降水具有明显界限。
发明内容
本发明为解决上述问题，旨在自动测量冰雹天气现象，代替气象站的人工观测，实现自动化测量冰雹。产品涉及压电陶瓷材料学、气象观测学、机械电子、模拟电路、信号处理等方面的知识，发明人根据中国气象局《地面气象观测规范》(ISBN7-5029-3690-4)的要求，设计开发了基于压电陶瓷测量原理的冰雹传感器，该传感器可单独使用，判断冰雹的发生、统计冰雹的数量；与多要素气象站联合应用，有利于气象综合观测以及防灾减灾；与光学法的降水类天气现象仪配合使用，可以辅助判断降水类天气现象。
具体采用如下技术方案：
一种冰雹传感器，包括传感器感应锣片1、锣片固定支架2、压电陶瓷传感器3、密封圈4、测量电路5、传感器基座连接件一6、传感器基座连接件二7、基座8、程序烧写航空插头9、主通讯航空插头10、顶丝11、固定孔胶垫12和支柱；所述传感器感应锣片1与锣片固定支架2组装连接形成组件一，压电陶瓷传感器3与组件一组装连接形成组件二，传感器基座连接件一6和传感器基座连接件二7组装连接形成组件三，所述基座8与组件三组装连接形成组件四，组件四与程序烧写航空插头9、主通讯航空插头10组装连接形成组件五，组件五 与测量电路5组装连接形成组件六，组件六安装密封圈4形成组件七，组件二与组件七连接形成组件八，组件八通过顶丝11固定，并垫上固定孔胶垫12，再连接支柱13形成冰雹传感器。
所述冰雹传感器的测量电路包括前端电路、信号处理电路、超摆幅比较器电路和接口电路。
所述冰雹传感器的前端电路连接为：所述冰雹传感器的前端电路连接为：压电陶瓷信号输入端口(P5)，信号接入后与电阻(R11)和(R15)和电容(C20)连接，构成第一级滤波，滤波后信号由电容(C16)进行隔直，通过交流信号，通过的交流信号由二极管(D1)连接到3.3V供电电源。前端电路，传感器前端除了一级滤波外还增加了一个钳位二极管，在没有改二极管的时候，输入电压瞬间电压能达到10V以上，极易烧毁后面信号调理电路。加入钳位二极管后可以将前端输入信号钳位在安全的电压范围之内。
所述冰雹传感器的信号处理电路连接为：所述冰雹传感器的信号处理电路连接为：信号由前置电路走向两路，一路直接进入节点(NET1)，另外一路经电阻(R12)接入第一级放大，接入的信号由运算放大器运放正极进入，经电阻(R2)，(R3)组成的运算放大电路被放大后，由电容(C27)隔直耦合进节点(NET2)，节点(NET2)用于判别强降水干扰信号，同时，经过一级放大后的信号经由运算放大器运放和电阻(R9)、(R10)、(R23)、(R17)、电容(C14)、(C18)、(C19)、(C24)组成的带增益二阶有源滤波电路后，经电容(C17)耦合进由运算放大器运放组成的跟随器电路后进入节点(NET3)，用以分析小雨干扰信号。信号处理电路，信号调理部分在第一级的基础上又增加了两级，相比原来一级调理电路可以有效提高冰雹的采集精确度，同时可以减少雨的干扰。调理部分运放选用OPA2347芯片，该芯片是小封装微功耗轨到轨的运算放大器。小封装可以减小电路板的面积，20uA的静态工作电流可以降低整个系统的功耗。在降低功耗的同时在达到350KHz带宽的情况下具有极高的速度/功率比。
输入信号经过调理之后经比较器进入主芯片采集。比较器采用美信公司的MAX9120纳安级低功耗比较器，该芯片具有极小的封装，极低的功耗，超摆幅的比较器。MAX9120每路电源电流为350nA。工作电流可低至1.6V。
所述冰雹传感器的超摆幅比较器电路连接为：所述冰雹传感器的超摆幅比较 器电路连接为：由前置电路处理后的信号进入节点(NET1)，经由电阻(R69)，(R28)，(R29)组成的分压电路接入超摆幅比较器，比较器由3.3V电压供电，接入引脚五，脚二接地，脚三为比较器的正极，正极参考电压由电阻(R25)，(R26)，(R27)，3.3V电源组成的分压电路提供，比较器输出脚一经低通滤波器、电阻(R64)，电容(C25)，电阻R24接入CPU和AD转换引脚(CPU_IO1)。
所述冰雹传感器的接口电路连接为：所述冰雹传感器的接口电路连接为：通讯信号一由芯片、脚十二接入，信号二由脚十、九接入，经通讯芯片调理，信号一由脚十四、十三输出，信号二由脚七、八输出，输出信号经电阻(R74～R77)后，由二极管(D7)，(D8)分别接地，接地后输出信号经由小电容(C68)，(C69)，(C73)，(C74)进行滤波，滤波后信号由接口(P1)，(P4)引出。接口电路，接口部分选用美信公司的MAX3232芯片。该芯片是低压高速RS-232收发器。该芯片可以3.0V-5.5V供电，电流低至10nA，速度高达1MHz，提供±15KV的ESD保护。对外的通信接口上，本设计增加了一些额外的设计来抑制电磁干扰。接口处的三端电容滤波器是第一级EMI滤波，可以有效降低本机对外的电磁干扰同时阻止外界电磁干扰进入系统内部。第二级电容可以滤除大部分低频的噪声干扰。NUP2105是第三级保护，该TVS管提供双向30KV(IEC 61000-4-2规范)350W的瞬态保护。第四级电阻可以消耗部分窄电压脉冲的能量，提供芯片的抗干扰能力，同时还可以匹配阻抗，提高信号通信质量。
在实验室条件下模拟冰雹下落以及雨滴下落的情况，对产品性能进行检测，验证产品能够检测出冰雹的信号，同时能够区分冰雹和雨滴信号。实验采用冰球撞击来模拟冰雹下落，冰球直径为10mm，由模具冻成，采用加压喷水的方式模拟强降水。
图6-8显示了采用制备的冰球冲击的原始信号和经电路调制后的信号处理结果。图6显示为原始信号，图7为经过电路调制整形后的模拟信号，图8为信号连续冲击的原始信号以及调制结果，模拟测试结果如表1所示。
表1数量检测结果
从表1的实测结果可以看出，设备能够区分固态冰雹冲击，并可以统计出冰雹的数量。
此外，本发明的外部形状参考冰雹圆润的特点，外部形态采用规矩简洁的圆形状态，整体饱满又有流动感，特别贴合冰雹给人的视觉感受(坚硬、冰冷、简单、透亮、灵动)。
在材料选择上，上部冰雹接触面采用坚硬的金属材质，顶部形态弧形设计，保护整个产品不受冰雹冲击力损坏的同时又不存在积存问题。底部采用塑料材质，方便加工组装，节约成本的同时，又可以在材质上凸显产品差异性。
配色上顶部金属银色体现坚实、硬朗的科技感，底部白色易于融合周边环境，贴合气象产品的风格趋势，表达对环境干净、纯洁、环保的期许愿望。
本发明的有益技术效果：1.采用多级放大滤波的前端模拟信号处理方法，可以避免大颗粒降水的干扰，准确测得冰雹的发生。2.采用超摆幅比较器，测量的冰雹信号是一个冰雹撞击锣片时产生的电信号的包络线，该包络线包含了冰雹的独特特征，利于计算冰雹数量。3.进行EMC电磁兼容设计，有效降低野外环境下各种频率信号的干扰。
附图说明
图1为所述冰雹传感器爆炸图；
图2为前端电路图；
图3为信号处理电路图；
图4为超摆幅比较器电路图；
图5为接口电路图；
图6显示为原始信号；
图7为经过电路调制整形后的模拟信号；
图8为信号连续冲击的原始信号以及调制结果；
附图标记说明
1传感器感应锣片；2锣片固定支架；3压电陶瓷传感器；4密封圈；5测量电路；6传感器基座连接件A；7传感器基座连接件B；8基座；9程序烧写航空插头；10主通讯航空插头；11顶丝；12固定孔胶垫；13支柱。
具体实施方式
下面结合附图和本发明的优选实施例进一步说明本发明。
实施例1
如图1，一种冰雹传感器，包括传感器感应锣片1、锣片固定支架2、压电陶瓷传感器3、密封圈4、测量电路5、传感器基座连接件一6、传感器基座连接件二7、基座8、程序烧写航空插头9、主通讯航空插头10、顶丝11、固定孔胶垫12和支柱13；所述传感器感应锣片1与锣片固定支架2组装连接形成组件一，压电陶瓷传感器3与组件一组装连接形成组件二，传感器基座连接件一6和传感器基座连接件二7组装连接形成组件三，所述基座8与组件三组装连接形成组件四，组件四与程序烧写航空插头9、主通讯航空插头10组装连接形成组件五，组件五与测量电路5组装连接形成组件六，组件六安装密封圈4形成组件七，组件二与组件七连接形成组件八，组件八通过顶丝11固定，并垫上固定孔胶垫12，再连接支柱13形成冰雹传感器。
所述冰雹传感器的测量电路包括前端电路、信号处理电路、超摆幅比较器电路和接口电路。
如图2，所述冰雹传感器的前端电路连接为：所述冰雹传感器的前端电路连接为：压电陶瓷信号输入端口P5，信号接入后与电阻R11和R15和电容C20连接，构成第一级滤波，滤波后信号由电容C16进行隔直，通过交流信号，通过的交流信号由二极管D1连接到3.3V供电电源。前端电路，传感器前端除了一级滤波外还增加了一个钳位二极管，在没有改二极管的时候，输入电压瞬间电压能达到10V以上，极易烧毁后面信号调理电路。加入钳位二极管后可以将前端输入信号钳位在安全的电压范围之内。
如图3，所述冰雹传感器的信号处理电路连接为：所述冰雹传感器的信号处理电路连接为：信号由前置电路走向两路，一路直接进入节点NET1，另外一路经电阻R12接入第一级放大，接入的信号由运算放大器运放正极进入，经电阻R2，R3组成的运算放大电路被放大后，由电容C27隔直耦合进节点NET2，节点NET2用于判别强降水干扰信号，同时，经过一级放大后的信号经由运算放大器运放和电阻R9、R10、R23、R17、电容C14、C18、C19、C24组成的带增益二阶有源滤波电路后，经电容C17耦合进由运算放大器运放组成的跟随器电路后进入节点NET3，用以分析小雨干扰信号。信号处理电路，信号调理部分在第一级的 基础上又增加了两级，相比原来一级调理电路可以有效提高冰雹的采集精确度，同时可以减少雨的干扰。调理部分运放选用OPA2347芯片，该芯片是小封装微功耗轨到轨的运算放大器。小封装可以减小电路板的面积，20uA的静态工作电流可以降低整个系统的功耗。在降低功耗的同时在达到350KHz带宽的情况下具有极高的速度/功率比。
输入信号经过调理之后经比较器进入主芯片采集。比较器采用美信公司的MAX9120纳安级低功耗比较器，该芯片具有极小的封装，极低的功耗，超摆幅的比较器。MAX9120每路电源电流为350nA。工作电流可低至1.6V。
如图4，所述冰雹传感器的超摆幅比较器电路连接为：所述冰雹传感器的超摆幅比较器电路连接为：由前置电路处理后的信号进入节点NET1，经由电阻R69，R28，R29组成的分压电路接入超摆幅比较器，比较器由3.3V电压供电，接入引脚五，脚二接地，脚三为比较器的正极，正极参考电压由电阻R25，R26，R27，3.3V电源组成的分压电路提供，比较器输出脚一经低通滤波器、电阻R64，电容C25，电阻R24接入CPU和AD转换引脚CPU_IO1。
如图5，所述冰雹传感器的接口电路连接为：所述冰雹传感器的接口电路连接为：通讯信号一由芯片、脚十二接入，信号二由脚十、九接入，经通讯芯片调理，信号一由脚十四、十三输出，信号二由脚七、八输出，输出信号经电阻R74～R77后，由二极管D7，D8分别接地，接地后输出信号经由小电容C68，C69，C73，C74进行滤波，滤波后信号由接口P1，P4引出。
接口电路，接口部分选用美信公司的MAX3232芯片。该芯片是低压高速RS-232收发器。该芯片可以3.0V-5.5V供电，电流低至10nA，速度高达1MHz，提供±15KV的ESD保护。对外的通信接口上，本设计增加了一些额外的设计来抑制电磁干扰。接口处的三端电容滤波器是第一级EMI滤波，可以有效降低本机对外的电磁干扰同时阻止外界电磁干扰进入系统内部。第二级电容可以滤除大部分低频的噪声干扰。NUP2105是第三级保护，该TVS管提供双向30KV(IEC 61000-4-2规范)350W的瞬态保护。第四级电阻可以消耗部分窄电压脉冲的能量，提供芯片的抗干扰能力，同时还可以匹配阻抗，提高信号通信质量。
在实验室条件下模拟冰雹下落以及雨滴下落的情况，对产品性能进行检测，验证产品能够检测出冰雹的信号，同时能够区分冰雹和雨滴信号。实验采用冰球 撞击来模拟冰雹下落，冰球直径为10mm，由模具冻成，采用加压喷水的方式模拟强降水。
图6-8显示了采用制备的冰球冲击的原始信号和经电路调制后的信号处理结果。图6显示为原始信号，图7为经过电路调制整形后的模拟信号，图8为信号连续冲击的原始信号以及调制结果，模拟测试结果如表1所示。
表1数量检测结果
从表1的实测结果可以看出，设备能够区分固态冰雹冲击，并可以统计出冰雹的数量。
此外，本发明的外部形状参考冰雹圆润的特点，外部形态采用规矩简洁的圆形状态，整体饱满又有流动感，特别贴合冰雹给人的视觉感受(坚硬、冰冷、简单、透亮、灵动)。
在材料选择上，上部冰雹接触面采用坚硬的金属材质，顶部形态弧形设计，保护整个产品不受冰雹冲击力损坏的同时又不存在积存问题。底部采用塑料材质，方便加工组装，节约成本的同时，又可以在材质上凸显产品差异性。
配色上顶部金属银色体现坚实、硬朗的科技感，底部白色易于融合周边环境，贴合气象产品的风格趋势，表达对环境干净、纯洁、环保的期许愿望。
本发明采用多级放大滤波的前端模拟信号处理方法，可以避免大颗粒降水的干扰，准确测得冰雹的发生。采用超摆幅比较器，测量的冰雹信号是一个冰雹撞击锣片时产生的电信号的包络线，该包络线包含了冰雹的独特特征，利于计算冰雹数量。进行EMC电磁兼容设计，有效降低野外环境下各种频率信号的干扰。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种冰雹传感器，其特征在于：包括传感器感应锣片(1)、锣片固定支架(2)、压电陶瓷传感器(3)、密封圈(4)、测量电路(5)、传感器基座连接件一(6)、传感器基座连接件二(7)、基座(8)、程序烧写航空插头(9)、主通讯航空插头(10)、顶丝(11)、固定孔胶垫(12)和支柱(13)；所述传感器感应锣片(1)与锣片固定支架(2)组装连接形成组件一，压电陶瓷传感器(3)与组件一组装连接形成组件二，传感器基座连接件一(6)和传感器基座连接件二(7)组装连接形成组件三，所述基座(8)与组件三组装连接形成组件四，组件四与程序烧写航空插头(9)、主通讯航空插头(10)组装连接形成组件五，组件五与测量电路(5)组装连接形成组件六，组件六安装密封圈(4)形成组件七，组件二与组件七连接形成组件八，组件八通过顶丝(11)固定，并垫上固定孔胶垫(12)，再连接支柱(13)形成冰雹传感器。
2.根据权利要求1所述的冰雹传感器，其特征在于：所述冰雹传感器的测量电路包括前端电路、信号处理电路、超摆幅比较器电路和接口电路。
3.根据权利要求1或2任意一项所述的冰雹传感器，其特征在于：所述冰雹传感器的前端电路连接为：压电陶瓷信号输入端口(P5)，信号接入后与电阻(R11)和(R15)和电容(C20)连接，构成第一级滤波，滤波后信号由电容(C16)进行隔直，通过交流信号，通过的交流信号由二极管(D1)连接到3.3V供电电源。
4.根据权利要求1或2任意一项所述的冰雹传感器，其特征在于：所述冰雹传感器的信号处理电路连接为：信号由前置电路走向两路，一路直接进入节点(NET1)，另外一路经电阻(R12)接入第一级放大，接入的信号由运算放大器运放正极进入，经电阻(R2)，(R3)组成的运算放大电路被放大后，由电容(C27)隔直耦合进节点(NET2)，节点(NET2)用于判别强降水干扰信号，同时，经过一级放大后的信号经由运算放大器运放和电阻(R9)、(R10)、(R23)、(R17)、电容(C14)、(C18)、(C19)、(C24)组成的带增益二阶有源滤波电路后，经电容(C17)耦合进由运算放大器运放组成的跟随器电路后进入节点(NET3)，用以分析小雨干扰信号。
5.根据权利要求1或2任意一项所述的冰雹传感器，其特征在于：所述冰雹传感器的超摆幅比较器电路连接为：由前置电路处理后的信号进入节点(NET1)，经由电阻(R69)，(R28)，(R29)组成的分压电路接入超摆幅比较器，比较器由3.3V电压供电，接入引脚五，脚二接地，脚三为比较器的正极，正极参考电压由电阻(R25)，(R26)，(R27)，3.3V电源组成的分压电路提供，比较器输出脚一经低通滤波器、电阻(R64)，电容(C25)，电阻R24接入CPU和AD转换引脚(CPU_IO1)。
6.根据权利要求1或2任意一项所述的冰雹传感器，其特征在于：所述冰雹传感器的接口电路连接为：通讯信号一由芯片、脚十二接入，信号二由脚十、九接入，经通讯芯片调理，信号一由脚十四、十三输出，信号二由脚七、八输出，输出信号经电阻(R74～R77)后，由二极管(D7)，(D8)分别接地，接地后输出信号经由小电容(C68)，(C69)，(C73)，(C74)进行滤波，滤波后信号由接口(P1)，(P4)引出。
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