CN109917490B - 一种冰雹自动监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰雹自动监测装置，包括主控模块、电容检测传感器、压力传感器、探测片和输出设备，探测片设置于压力传感器上，探测片呈倾斜状态，探测片通过一个由电容和电感组成的LC电路与电容检测传感器连接，电容检测传感器、压力传感器和输出设备分别与主控模块连接。本发明可自动实时提供单位时间单位面积的冰雹平均体积和个数，数据直观，并具有时效性，且完全自动化、节约人力、实时显示、成本低、适用范围广、灵敏度相对较高。

Description

一种冰雹自动监测装置

技术领域

本发明涉及自然气候监测装置技术领域，具体说是一种冰雹自动监测装置。

背景技术

我国地形复杂，气候多样，灾害天气频发，特别是冰雹天气对我国各地经济发展造成很大破坏，为了有效预测冰雹灾害，人们对冰雹进行监测，现有监测方式主要有目测报告、测雹追踪队、测雹板、声学测量等方式，但是以上监测方式耗费大量人力，且精度低、难以实现自动化、成本高、算法难度高，或缺乏时效性。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种冰雹自动监测装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种冰雹自动监测装置，包括主控模块、电容检测传感器、压力传感器、探测片和输出设备，所述探测片设置于所述压力传感器上，探测片呈倾斜状态，所述探测片通过一个由电容和电感组成的LC电路与所述电容检测传感器连接，所述电容检测传感器、压力传感器和输出设备分别与所述主控模块连接。

本发明进一步的设计方案中，上述探测片上表面设有亚克力板保护层，亚克力板保护层上表面涂有疏水涂层，探测片倾斜角度为水平倾斜10度。

本发明进一步的设计方案中，上述电容检测传感器的型号为FDC2214。

本发明进一步的设计方案中，上述主控模块的型号为MSP430F169单片机或STM32F103ZET6单片机，主控模块中安装有卡尔曼滤波处理软件。

本发明进一步的设计方案中，上述输出设备为液晶显示器。

本发明进一步的设计方案中，上述探测片有多个，探测片通过屏蔽线与LC电路连接。

本发明具有以下突出的有益效果：

本发明的有益效果是电容检测传感器进行冰雹个数的检测，即电容检测传感器采集到的每个峰值记为一个冰雹数，探头探测片采用特殊角度处理，表面采用特殊涂层处理，使得冰雹落下后快速离开探测面,使数据较为精确。电容检测传感器数据经卡尔曼滤波处理，能够有效的减少系统噪声对实际输入数据的干扰，从而检测出真实值,使得数据更加稳定精确。压力传感器安装在探头装置底部，对冰雹质量进行实时记录。探头用屏蔽线与电容检测传感器相连，可减少外界对结果的干扰。压力传感器对单位时间单位面积内冰雹的质量进行测量，通过定标拟合得出冰雹落地时压力和质量的关系。得到质量与个数信息后通过控制器的数据处理最终得到冰雹单位面积单位时间内的平均体积和冰雹数。

本发明可自动实时提供单位时间单位面积的冰雹平均体积和个数，数据直观，并具有时效性，且完全自动化、节约人力、实时显示、成本低、适用范围广、灵敏度相对较高。

附图说明

图1是实施例中冰雹自动监测装置部件连接示意图；

图2是实施例中冰雹自动监测装置监测程序流程图；

图3是实施例中电容检测传感器与探测片连接电路图；

图4是实施例中电容检测传感器PCB设计图；

图5是实施例中电容检测传感器电路图；

图中，1-主控模块，2-电容检测传感器，3-压力传感器，4-探测片，5-输出设备。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例

一种冰雹自动监测装置，包括主控模块1、电容检测传感器2、压力传感器3、探测片4和输出设备5，探测片4设置于所述压力传感器3上，探测片4呈倾斜状态；探测片4上表面设有亚克力板保护层，亚克力板保护层上表面涂有疏水涂层，探测片4倾斜角度为水平倾斜10度。探测片4通过一个由电容和电感组成的LC电路与电容检测传感器2连接，电容检测传感器2、压力传感器3和输出设备5分别与主控模块1连接。主控模块1的型号为STM32F103ZET6单片机，主控模块1中安装有卡尔曼滤波处理软件。输出设备5为液晶显示器。探测片4有4个，分别通过屏蔽线与LC电路连接。

电容检测传感器2的型号为FDC2214。FDC2214是基于LC谐振电路原理的一个电容检测传感器2。其基本原理如附图3所示，在芯片每个检测通道的输入端连接一个电感和电容，组成LC电路，探测片4的传感端与LC电路相连接，将产生一个振荡频率，根据该频率值可计算出被测电容值。

将探测片4和被测冰雹作为电容的两个极板，根据电容计算公式：

电容大小与极板之间的正对面积成正比，与极板间距离成反比。当冰雹落下时，距离不断减小，使得电容值升高，当冰雹与探测片4接触时，数据达到峰值，通过记录峰值个数来记录冰雹的个数。

如附图4、附图5所示，FDC2214采用四个通道，每个通道可以与一个探测片4连接，其电路设计SCL与SCK端添加10K上拉电阻并引出，采用上拉电阻使此处空闲时为高电平，从而在总线空闲时，器件必须为高电平，电路加入电源滤波电容减少噪声影响。

本实施例中，探测片4采用正方形蚀刻铜板，每个正方形边长10cm，铜板厚度1.6mm。为了减少同时落地的冰雹对计数的影响，探测片4与水平的角度倾斜10度并涂有特殊疏水涂层，使得落地冰雹尽快离开探测面。探测装置整体使用亚克力板进行封装和防水处理，避免在恶劣环境下损坏传感器探测元器件和控制装置。

压力传感器3选用高灵敏的应变片，输出电压与压力成线性关系，拟合后易得到冰雹总质量。探测片4放置于压力传感器3上，压力传感器3能够对冰雹质量进行实时记录。

在使用冰雹自动监测装置进行监测之前，需要获得冰雹的动能通量谱，即冰雹砸到探测片4上的力与质量的关系，根据系统所测得的数据，计算了冰雹落地动能通量，分析了雹谱的时间演变特征，进行前期的数据分析，由此得到动能通量谱，然后将动能通量谱数据输入到主控模块，为以后开展防雹效果评估等工作打下了基础。前期的数据分析过程如下：

鉴定曲线的制作采用不同直径的钢球模拟相应直径的落地冰雹，建立不同钢球的直径与其在测雹板上的电容变化量之间的关系，其原理是某一尺度冰雹与同体积钢球的落地动能相等，其计算公式如下:

式中:mi,Vi分别为冰雹质量及末速度，m，V分别为钢球的质量及下落末速度，H为钢球的下抛高度，g为重力加速度。

密度计算公示：

ρ＝m/V (3)

式中：冰的密度已知，为0.9g/cm³，m由压力传感器3测量可知，据此可求出冰雹的体积。

记录数据，根据以上公式，利用参数拟合数据，可建立V-C-E关系，为以后开展防雹效果评估等工作打下了基础。

输出设备5采用液晶显示器，TFT显示屏显示内容多，色彩丰富，响应速度快，显示信息量更大，效果更好。

本实施例采用STM32F103ZET6作为主控制模块。STM32F103ZET6是一款性价比超高的单片机，基于专为要求高性能，低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核，存储器内存相对较大，有多个定时器和通信接口，工作频率高，运行速度快。

对FDC2214的信号处理:

利用MiniBalance波形显示上位机实时显示电容检测传感器的数据。当上位机显示波形的波峰超过一定阈值时，则认为有冰雹下落。根据超过阈值的波峰数量判定下落冰雹的数量。在没有对FDC2214芯片采集到的信号进行处理的情况下，可以明显地观察到，当没有冰雹落下时，上位机显示的波形抖动频率较快，幅度较大，说明信号受干扰程度较大。为降低噪声污染，提高装置测量精度，采用卡尔曼滤波算法对FDC2214芯片采集到的信号进行处理。

卡尔曼滤波通过对未来预期值的分析与预测，能够有效的减少系统噪声对实际输入数据的干扰，从而检测出真实值。在连续变化的系统中，卡尔曼滤波具有占用内存小、速度快的优点，适合应用于实时问题和嵌入式系统。

首先我们对观测值、系统控制变量和噪声进行建模：

z_t＝H*x_t+v_t (4)

x_t＝A*x_(t-1)+B*u_(t-1)+w_(t-1) (5)

x_t是t时刻系统所在状态，z_t是所谓观测值，u_t是系统控制变量，w_t,v_t都是噪声。一个相对准确的系统值具有如下结构：

x&_t＝x&-_t+K(z_t-H*x_(t-1)) (6)

这里"&"表示估计值，"-"表示是用前面式子算出来的估计值。解得K为：

K＝P-_t*H^T*(H*P-_t*H^T+R)^(-1) (7)

给出迭代的公式：

x-_t＝A*x&_(t-1)+B*(t-1) (8)

P-_t＝A*P(t-1)*A^T+Q (9)

P_t＝(I-K_t*H)P-_(t-1) (10)

在此系统中，FDC2214输出数据波动较大，噪声干扰严重，通过在系统内部对FDC2214输出值进行卡尔曼滤波，有效的减少了噪声对真实值的干扰，使得读入的数据更加趋于稳定。通过上面的前期分析，得到冰雹在电容传感器上的反应的超过一定阈值波峰，在进行监测时主控模块1利用该阈值波峰来判断有多少冰雹下落。

对压力传感器3的信号处理:

压力传感器3选用启励传感的QL601，输出电压在3.3V以内，可以直接采用主控模块1STM32的ADC模数转换器采集压力传感器3输出的信号。此外，本装置采取DMA传输模式不占用CPU资源，进一步提高实时测量速度。

采取控制变量法，先将相同质量的冰块置于相同高度自由下落直至撞击亚克力板，每组实验重复做10-20次，记录每次STM32采集到的电压值，滤波后求取平均值。保持高度不变，改变冰块质量，重复上述步骤并记录滤波后的电压平均值，完成后再改变冰块体积重复步骤直至样本容量足够大。将电压值作为自变量，冰块质量作为因变量，在MATLAB中采用最小二乘法，可以明显地观察到质量-电压的拟合曲线呈线性关系。通过此线性关系可将STM32采集到的电压值转化为冰块质量，并根据公式V＝M/ρ将冰块质量转化为对应的体积大小。

进行监测时，冰雹自动监测装置总体工作流程如附图2所示，程序进行初始化后，开启5ms定时器。主控模块1STM32通过算法处理FDC2214的信号得到冰雹的数量，处理压力传感器3的信号得到冰雹的质量。结合二者数据得到5ms内冰雹的个数和平均体积。5ms计数结束后，STM32清除原有数据并开始测量下一5ms内的冰雹个数和平均体积。主控模块1STM32采集压力传感器3和FDC2214电容检测传感器的信号，通过算法得出冰雹个数和体积并实时显示在液晶显示器上。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种冰雹自动监测装置，其特征在于，包括主控模块（1）、电容检测传感器（2）、压力传感器（3）、探测片（4）和输出设备（5），所述探测片（4）设置于所述压力传感器（3）上，探测片（4）呈倾斜状态，所述探测片（4）通过一个由电容和电感组成的LC电路与所述电容检测传感器（2）连接，所述电容检测传感器（2）、压力传感器（3）和输出设备（5）分别与所述主控模块（1）连接，所述探测片（4）和被测冰雹作为电容的两个极板，当冰雹落下时，距离不断减小，使得电容值升高，当冰雹与探测片（4）接触时，数据达到峰值，通过记录峰值个数来记录冰雹的个数。

2.根据权利要求1所述的冰雹自动监测装置，其特征在于，所述探测片（4）上表面设有亚克力板保护层，亚克力板保护层上表面涂有疏水涂层，所述探测片（4）倾斜角度为水平倾斜10度。

3.根据权利要求1所述的冰雹自动监测装置，其特征在于，所述电容检测传感器（2）的型号为FDC2214。

4.根据权利要求1所述的冰雹自动监测装置，其特征在于，所述主控模块（1）的型号为MSP430F169单片机或STM32F103ZET6单片机，主控模块（1）中安装有卡尔曼滤波处理软件。

5.根据权利要求1所述的冰雹自动监测装置，其特征在于，所述输出设备（5）为液晶显示器。

6.根据权利要求1所述的冰雹自动监测装置，其特征在于，所述探测片（4）有多个，探测片（4）通过屏蔽线与LC电路连接。