CN108614311A - 一种超声波降雪检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波降雪检测装置，包括立杆，立杆上部安装有供电装置、超声波感应控制器和可加热反射板，供电装置分别与超声波感应控制器和可加热反射板连接，超声波感应控制器置于可加热反射板的上方，超声波感应控制器内置温度传感器，超声波感应控制器的底部设有超声波探头，超声波探头正对可加热反射板，可加热反射板设有加热电子开关，同时还公开了其具体的检测方法；具有结构简单，稳定性好，精度高，能够准确检测降雪，正确指示降雪，操作方便，自动化程度高，应用前景好的特点。

Description

一种超声波降雪检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于水文、气象测量器具技术领域，具体涉及一种超声波降雪检测装置及其检测方法。

背景技术

感雪器是配合雨雪量计工作的，当前市面上用接触式感雪器感知是否下雪，用超声波料位计测量降雪深度。

1、超声波的基本特性

超声波是一种人耳无法听到的、频率一般超过20kHz的声音，具有下述特征：

(1)波长与辐射

波的传播速度是用频率乘以波长来表示。声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s(20℃时)。在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。

(2)反射

要探测某个物体是否存在，超声波就能够在该物体上得到反射。由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100％的超声波，因此我们可以很容易地发现这些物体。由于布、棉花、绒毛等可以吸收超声波，因此很难利用超声波探测到它们。同时，由于不规则反射，通常可能很难探测到表面振动幅度很大的物体。

(3)温度效应

声波传播的速度c可以用下列公式表示。

C＝331.5+0.607t(m/s)式中，t＝温度(℃)

也就是说，声音传播速度随周围温度的变化而有所不同。因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，始终检查周围温度是十分必要的。

(4)衰减

传播到空气中的超声波强度随距离的变化成指数比例地减弱，这是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因为介质吸收能量产生的吸收损失。超声波的频率越高，衰减率就越高，波的传播距离也就越短。

2、超声波料位计

超声波测量距离的工作原理，被称做“脉冲反射法”，用于测量超声波发送脉冲和物体之间、接收脉冲和物体之间的反射时间。

超声波料位计可以用来测量积雪的深度，但因超声波在空气中传播会受到风速风向的影响，超声波的波速也受空气温度的影响，故超声波料位计的测量误差一般被标定为0.25％。超声波料位计测量雪深时，一般安装在地面以上2米处，理论上将会产生5mm的测量误差，实际上因雪面的平整度、积雪的密实度、风速风向、温度等因素影响，实际测量误差可达2cm。

因为测量误差是不可避免的，如果相邻2次超声波料位计的测量距离变化了2cm，无法确定是测量误差，还是降雪产生的变化。因此，不能用超声波测量物位的原理来判断是否降雪了。

对于水文气象上使用的雨雪量计，需要确认下雪与否，以便给雨雪量计的承雪器加热融雪。如果判断不准确，可能会漏测降雪，也可能在没有降雪的情况下误加温而浪费能量。

3、接触式感雪器

接触式感雪器利用雪可导电的特性制作的。在一个平板上，布设很多金属丝同心圆，间隔为1mm，相邻同心圆为正、负两极，处于干燥状态时，正、负两极之间的电阻为无穷大，当上面有积雪时，正、负两极之间的电阻降至可测量范围，大概在1-4MΩ，其值与雪的电导率和雪在正负两极的覆盖范围有关。

接触式感雪器露天安装，积尘影响其稳定性，裸露的金属丝易被腐蚀，触点导电原理无法区分降雨还是降雪。因此，迫切需要研究一种能够正确指示降雪的感雪器。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种能够正确指示降雪的超声波降雪检测装置及其检测方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种超声波降雪检测装置，包括立杆，所述立杆上部安装有供电装置、超声波感应控制器和可加热反射板，所述供电装置分别与超声波感应控制器和可加热反射板连接，所述超声波感应控制器置于可加热反射板的上方，所述超声波感应控制器内置温度传感器，所述超声波感应控制器的底部设有超声波探头，所述超声波探头正对可加热反射板，所述可加热反射板设有加热电子开关。

作为进一步改进的技术方案，所述供电装置采用太阳能板蓄电池组件。

作为进一步改进的技术方案，所述超声波感应控制器置于可加热反射板的正上方的0.3m处。

一种超声波降雪检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、采用所述温度传感器测试外界温度，同时采用所述超声波探头向可加热反射板发射超声波，再由所述超声波感应控制器接收可加热反射板的反射信号，当所述外界温度小于5℃且超声波感应控制器接收不到反射信号时，则判定为降雪，其余情况均判定为未降雪；

S2、在所述步骤S1中，判定为降雪时，则使用控制器打开所述可加热反射板的加热电子开关，并保持所述加热电子开关开启直到可加热反射板上积雪融化，超声波感应控制器能够接收到反射信号时，使用控制器关闭加热电子开关。

作为进一步改进的技术方案，所述超声波感应控制器对可加热反射板的加热动作进行闭环控制。

作为进一步改进的技术方案，所述可加热反射板采用间歇控制供电模式，当降雪时，则供电，当未降雪时，则不供电。

作为进一步改进的技术方案，所述可加热反射板采用间歇控制供电模式，当降雪时，则供电，当未降雪时，则不供电。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种超声波降雪检测装置，利用对于固定发射强度的激励波，反射的超声波信号强度与超声波探头到平面的距离和平面的平整度有关，距离大、平整度差，反射信号弱的原理设计，具有结构简单，稳定性好，精度高，能够准确检测降雪，正确指示降雪的特点；同时，其检测方法步骤简单，操作方便，自动化程度高，人工投入成本低，有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明在未降雪状态下的反射信号状态图；

图3是本发明在降雪状态下的反射信号状态图。

附图标记说明：1、立杆；2、超声波感应控制器；3、可加热反射板；4、太阳能板蓄电池组件；5、温度传感器；6、加热电子开关；7、超声波探头。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例

如图1所示，一种超声波降雪检测装置，包括立杆1，立杆1上部安装有太阳能板蓄电池组件4、超声波感应控制器2和可加热反射板3，其中，超声波感应控制器2垂直固定在立杆1的上，可加热反射板3水平固定在立杆1上，太阳能板蓄电池组件4分别与超声波感应控制器2和可加热反射板3连接，超声波感应控制器2的底部设有超声波探头7，超声波感应控制器2置于可加热反射板3的正上方的0.3m处，超声波探头7正对可加热反射板3，超声波感应控制器2内置温度传感器5，可加热反射板3设有加热电子开关6。

一种超声波降雪检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、采用温度传感器5测试外界温度，同时采用超声波探头7向可加热反射板3发射超声波，再由超声波感应控制器2接收可加热反射板3的反射信号，当外界温度小于5℃且超声波感应控制器2接收不到反射信号时，则判定为降雪，其余情况均判定为未降雪；

S2、在步骤S1中，判定为降雪时，则使用控制器打开可加热反射板的加热电子开关6，并保持加热电子开关6开启直到超声波感应控制器2能够接收到反射信号时，使用控制器关闭加热电子开关6。

本实施例中，在对可加热反射板3加热的过程中，降雪被加热融化后，超声波感应控制器2可以收到反射信号时，则关闭加热可加热反射板3的加热电子开关6，超声波感应控制器2对加热可加热反射板3的加热动作进行闭环控制。

本实施例中，降雪时的恶劣天气易导致交流电故障，超声波感应控制器2为省电设计，值守功耗很低，可加热反射板3采用间歇控制供电模式，当降雪时，则供电，当未降雪时，则不供电，整个装置稳定可靠，抗干扰能力强。

需要说明的是，频率100KHZ收发同体超声波探头7的盲区为15cm，超声波感应控制器2与可加热反射板3的距离设定为30cm比较合适，可加热反射板3离地面的高度要求高于当地历年最大雪深。

本发明的工作原理：如同超声波测距原理一样，超声波感应控制器2的超声波探头7向可加热反射板3发射超声波，可加热反射板3能够反射超声波，超声波探头7能感知到反射的超声波，生成反射信号，交由超声波感应控制器2处理，在固定发射强度的情况下，反射的超声波信号强度与超声波探头7到平面的距离和平面的平整度有关，距离大、平整度差，反射信号弱。如果固定距离，故反射信号强弱就只与平整度有关；在可加热反射板3上无降雪时，调整超声波感应控制器2的激励波信号强度，使可加热反射板3所反射的超声波信号正好能够被超声波感应控制器2收到而能分辨出可加热反射板3的位置，如图2，即本发明在未降雪状态下的反射信号状态图；在超声波感应控制器2与可加热反射板3的距离不变，以同样强度的激励波发射到有降雪时的可加热反射板3上时，因积雪为不规则体，大部分反射波不能回到超声波感应控制器2，超声波感应控制器2所收到的微弱反射波不能分辨出加热可加热反射板3的位置，如图3，即本发明在降雪状态下的反射信号状态图。因此，根据超声波感应控制器2是否能测到可加热反射板3的距离，就能够识别降雪情况。

雪是水或冰在空中凝结再落下的自然现象，多数的雪花在落下地面的途中会融化成雨，只有当接近地面的空气够冷，才能让雪花落到地面成雪。据气象资料统计，我国固态降水时气温低于5℃的概率为99.99，为了更准确地感应降雪，在超声波感应控制器2内置了温度传感器5，当温度传感器5测值小于5℃且超声波感应控制器2不能测到可加热反射板3的距离时，可确认降雪了。

我国北方低温期持续时间很长，这段时间内，可能有多场降雪，或者一场降雪持续较长时间。当前规范规定的降雪测量周期为12小时(采用自动雪量计监测可以缩短)，为了准确感知下一时刻降雪与否，当次测量下雪后，超声波感应控制器控制打开可加热反射板的加热电子开关，将可加热反射板上的降雪融化，以便下次感应降雪。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超声波降雪检测装置，其特征在于，包括立杆，所述立杆上部安装有供电装置、超声波感应控制器和可加热反射板，所述供电装置分别与超声波感应控制器和可加热反射板连接，所述超声波感应控制器置于可加热反射板的上方，所述超声波感应控制器内置温度传感器，所述超声波感应控制器的底部设有超声波探头，所述超声波探头正对可加热反射板，所述可加热反射板设有加热电子开关。

2.根据权利要求1所述的超声波降雪检测装置，其特征在于，所述供电装置采用太阳能板蓄电池组件。

3.根据权利要求1所述的超声波降雪检测装置，其特征在于，所述超声波感应控制器置于可加热反射板的正上方的0.3m处。

4.基于权利要求1-3任一项所述的一种超声波降雪检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用所述温度传感器测试外界温度，同时采用所述超声波探头向可加热反射板发射超声波，再由所述超声波感应控制器接收可加热反射板的反射信号，当所述外界温度小于5℃且超声波感应控制器接收不到反射信号时，则判定为降雪，其余情况均判定为未降雪；

S2、在所述步骤S1中，判定为降雪时，则使用控制器打开所述可加热反射板的加热电子开关，并保持所述加热电子开关开启直到可加热反射板上积雪融化，超声波感应控制器能够接收到反射信号时，使用控制器关闭加热电子开关。

5.根据权利要求4所述的超声波降雪检测装置的检测方法，其特征在于，所述超声波感应控制器对可加热反射板的加热动作进行闭环控制。

6.根据权利要求1所述的超声波降雪检测装置的检测方法，其特征在于，所述可加热反射板采用间歇控制供电模式，当降雪时，则供电，当未降雪时，则不供电。