CN110596047A - 一种能见度传感器及其自清洁方法和标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能见度传感器及其自清洁方法和标定方法，该传感器包括发射端、接收端和连接部分，所述连接部分为双层圆环结构，上层圆环为可旋转圆环，其上安装有清洁刷和标定片，下层圆环为固定圆环，其上安装有发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口，所述发射端安装于发射窗口外，所述接收端包括透射接收端和散射接收端，分别安装于透射接收窗口和散射接收窗口外；所述清洁刷和标定片分别设置三个，三个清洁刷分别位于上述三个窗口的同一侧相同位置上，三个标定片分别位于上述三个窗口的另一侧相同位置上，本发明所公开的能见度传感器能够长期在海上恶劣的环境下使用，根据环境条件可以随时启动清洁和标定，具有很好的应用前景。

Description

一种能见度传感器及其自清洁方法和标定方法

技术领域

本发明涉及一种能见度传感器，特别涉及一种可以自清洁和在海上标定的能见度传感器。

背景技术

大气能见度是反映大气透明度的一个指标，是气象观测的基本参数之一，对环境保护、交通运输等都有着重大的影响。能见度测量方法主要有透射法和散射法，透射式能见度仪接收信号强、信噪比高，采样体积大，测量精度高，但由于透射式能见度仪的发射系统和接收系统为分体式，发射接收之间不能有遮挡，占地面积大，现场调试较为困难，探测精度有赖于基线长度，探测范围也受基线长度的影响，且透射式能见度仪对光学器件的污染十分敏感。散射式能见度仪分为后向散射式能见度仪和前向散射式能见度仪。后向散射式能见度仪结构简单、取样面积大，但在发射端和接收端不能有遮挡物，对安装场地有较高要求。前向散射式能见度仪结构紧凑、安装简单、易于维护、测量范围广，可以避免透射式光学系统难以对准的缺点。

前向散射式能见度仪在气象部门以及交通部门得到了广泛的应用，但前向散射式能见度仪应用在无人值守的海上平台时仍存在诸多问题，比如光源的稳定性以及盐雾、灰尘等产生的光学器件污染，会使得能见度仪的透射光强和散射光强发生变化，进而使其检测到的能见度数据产生严重偏差。陆地气象站会定期对能见度仪的光学器件进行清洁，以保证能见度仪测量数据的有效性，在无人值守的海上平台如何对能见度仪光学器件进行清洁以及标定，提高能见度仪的测量精度以及仪器面对各种环境长期使用的稳定性，仍然是制约前向散射式能见度仪在海上应用的关键问题之一。

目前有方案通过增加透射光的测量对能见度进行修正，以减小环境灰尘对镜头的污染和光源老化引起的功率下降等因素对仪器测量结果的影响。其可以在一定程度上减小灰尘和光源老化对能见度测量的影响，但在无人值守的海上平台要求能见度仪连续工作数年时间，海上盐雾、灰尘等对能见度光学窗口的影响非常严重，仅靠参考光对能见度修正效果有限。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种能见度传感器及其自清洁方法和标定方法，以达到可以在海上进行自动清洁和自动标定，使用寿命长、测量精度高的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种能见度传感器，包括发射端、接收端和连接部分，所述连接部分为双层圆环结构，上层圆环为可旋转圆环，其上安装有清洁刷和标定片，下层圆环为固定圆环，其上安装有发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口，所述发射端安装于发射窗口外，所述接收端包括透射接收端和散射接收端，分别安装于透射接收窗口和散射接收窗口外；所述清洁刷和标定片分别设置三个，三个清洁刷分别位于上述三个窗口的同一侧相同位置上，三个标定片分别位于上述三个窗口的另一侧相同位置上。

上述方案中，所述清洁刷和标定片均位于上层圆环的内圈，所述发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口内均设置透镜和窗口片，所述透镜位于下层圆环的外圈，所述窗口片位于下层圆环的内圈，所述清洁刷与发射窗口、透射接收窗口或散射接收窗口对齐时，可与窗口片紧密接触。

上述方案中，所述下层圆环顶部外侧设有凸缘，所述上层圆环横截面为内扣结构，所述凸缘嵌入所述内扣结构中，所述上层圆环外侧设有大齿轮，通过与其齿轮啮合的小齿轮与电机相连，所述电机和小齿轮安装于发射端。

上述方案中，所述发射端内设置红外LED和发射控制器，所述透射接收端内设置透射接收器，所述散射接收端内设置散射接收器，且透射接收器与散射接收器信号连接。

上述方案中，所述下层圆环上与标定片对应的位置处设置标定片保护壳，所述标定片保护壳两侧开口，所述标定片可旋转进入标定片保护壳内。

上述方案中，所述发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口的光轴处于同一水平面上，所述透射接收窗口位于发射窗口的正对面，所述散射接收窗口位于发射窗口的侧对面，所述散射接收窗口与发射窗口之间的散射夹角为30-50°。

一种能见度传感器的自清洁方法，控制上层圆环在一定角度内来回旋转，上层圆环带动清洁刷在发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口上来回运动，从而对窗口进行清洁，清洁完毕后，控制上层圆环反向旋转，到达初始位置。

一种能见度传感器的标定方法，包括如下过程：

该能见度传感器使用前，首先利用能见度计量检定装置产生稳定的能见度环境，对能见度传感器进行标定；将标定片旋转到发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口的位置，记录下此时能见度传感器测量得到的能见度值，将该能见度值作为此标定片的标准值Y；

能见度传感器在海上工作一定时间，需要进行能见度传感器进行标定时，控制上层圆环旋转，使标定片旋转到发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口的位置，记录测试能见度传感器测量的能见度值X，利用修正系数对能见度仪进行修正：

Y＝K*X

式中：Y为标定片的标准值，X为修正前能见度传感器测量的能见度值，根据修正公式，得到修正系数K；

最后，对能见度传感器正常工作时，测量得到的能见度值乘以修正系数K，得到修正后的能见度数据。

通过上述技术方案，本发明提供的能见度传感器下层圆环形结构主要用于完成大气能见度的测量，上层圆环结构主要用于完成能见度传感器窗口片的清洁和能见度传感器的标定。控制上层圆环正向转动时，可以利用清洁刷对窗口片进行清洁，上层圆环反向转动时，可以利用标定片对其进行标定，提高测量精度。本发明的能见度传感器能够长期在海上恶劣的环境下使用，根据环境条件可以随时启动清洁和标定，具有很好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种能见度传感器平面结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明实施例所公开的发射端剖面示意图；

图4为本发明实施例所公开的窗口部分放大示意图；

图5为本发明实施例所公开的标定片和标定片保护壳结构示意图；

图6为能见度传感器检测原理示意图。

图中，1、上层圆环；2、清洁刷；3、标定片；4、下层圆环；5、发射窗口；6、透射接收窗口；7、散射接收窗口；8、发射端；9、透射接收端；10、散射接收端；11、透镜；12、窗口片；13、大齿轮；14、小齿轮；15、电机；16、红外LED；17、发射控制器；18、透射接收器；19、散射接收器；20、标定片保护壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种能见度传感器及其自清洁方法和标定方法，如图1所示的能见度传感器，该传感器可以在海上完成自动清洁和标定。

如图1所示的能见度传感器，包括发射端、接收端和连接部分，连接部分为双层圆环结构。

如图2所示，上层圆环1为可旋转圆环，其上安装有清洁刷2和标定片3，清洁刷2和标定片3均位于上层圆环1的内圈。清洁刷2和标定片3通过固定杆连接于上层圆环1的下方。

下层圆环4为固定圆环，其上安装有发射窗口5、透射接收窗口6和散射接收窗口7，发射端8安装于发射窗口5外，接收端包括透射接收端9和散射接收端10，分别安装于透射接收窗口6和散射接收窗口7外。清洁刷2和标定片3分别设置三个，三个清洁刷2分别位于上述三个窗口的同一侧相同位置上，三个标定片3分别位于上述三个窗口的另一侧相同位置上。

发射窗口5、透射接收窗口6和散射接收窗口7内均设置透镜11和窗口片12，如图4所示，透镜11位于下层圆环4的外圈，窗口片12位于下层圆环4的内圈，清洁刷2与发射窗口5、透射接收窗口6或散射接收窗口7对齐时，可与窗口片12紧密接触。

如图3所示，下层圆环4顶部外侧设有凸缘，上层圆环1横截面为内扣结构，凸缘嵌入内扣结构中，上层圆环1外侧设有大齿轮13，通过与其齿轮啮合的小齿轮14与电机15相连，电机15和小齿轮14安装于发射端8。通过电机15带动小齿轮14转动，从而带动大齿轮13转动，上层圆环1可以在下层圆环4顶部转动，从而带动清洁刷2和标定片3转动。

发射端8内设置红外LED 16和发射控制器17，透射接收端9内设置透射接收器18，散射接收端10内设置散射接收器19，且透射接收器18与散射接收器19信号连接，散射接收端10将信号传给上位机进行计算。

如图5所示，下层圆环4上与标定片3对应的位置处设置标定片保护壳20，标定片保护壳20两侧开口，标定片3可旋转进入标定片保护壳20内，防止标定片3表面污染。

本实施例中，发射窗口5、透射接收窗口6和散射接收窗口7的光轴处于同一水平面上，透射接收窗口6位于发射窗口5的正对面，散射接收窗口7位于发射窗口5的侧对面，散射接收窗口7与发射窗口5之间的散射夹角A为30-50°，优选45°。

(1)该能见度传感器的检测过程如下：

如图6所示，发射模块包括红外LED、驱动调制相移电路和LED光强探测器组成，能见度传感器的发射模块以2.3kHz的频率使红外LED产生875nm的光脉冲，利用窄脉冲调制技术解决红外LED二极管工作时的总功率和瞬间功率问题，以及自然散热问题，降低红外LED的老化速度。LED光强探测器监控红外LED的光强度，并进行自动反馈，调整光脉冲的幅值，始终保持红外LED的光强为预设值。

透射接收模块和散射接收模块分别由光电二极管、放大滤波电路、锁相放大电路、带通滤波电路组成。透射光电二极管用于将接收到的透射光信号转换为电信号，散射光电二极管用于将接收到的散射光信号转换为电信号。电信号与调制电路同步的参考信号送入锁相放大器进行相关检测，经过带通滤波后由信号采集处理电路进行信号采集和数据处理，根据散射信号与透射信号的对比测量得到大气能见度数据。

(2)能见度传感器的自清洁方法：

控制上层圆环1在一定角度内来回旋转，上层圆环1带动清洁刷2在发射窗口5、透射接收窗口6和散射接收窗口7上来回运动，从而对窗口进行清洁，清洁完毕后，控制上层圆环1反向旋转，到达初始位置。每次清洁刷2工作的时间间隔根据实际需要确定，比如可以每小时工作一次，也可设定为每天工作一次。

(3)能见度传感器的标定方法，包括如下过程：

该能见度传感器使用前，首先利用能见度计量检定装置产生稳定的能见度环境，对能见度传感器进行标定，将标定片3旋转到发射窗口5、透射接收窗口6和散射接收窗口7的位置，记录下此时能见度传感器测量得到的能见度值，将该能见度值作为此标定片3的标准值Y；

能见度传感器在海上工作一定时间，需要进行能见度传感器进行标定时，控制上层圆环1旋转，使标定片3旋转到发射窗口5、透射接收窗口6和散射接收窗口7的位置，记录测试能见度传感器测量的能见度值X，利用修正系数对能见度仪进行修正：

Y＝K*X

式中：Y为标定片3的标准值，X为修正前能见度传感器测量的能见度值，根据修正公式，得到修正系数K；

最后，对能见度传感器正常工作时，测量得到的能见度值乘以修正系数K，得到修正后的能见度数据。

以上步骤，完成一次能见度传感器的标定。每隔一段时间，进行一次标定。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种能见度传感器，包括发射端、接收端和连接部分，其特征在于，所述连接部分为双层圆环结构，上层圆环为可旋转圆环，其上安装有清洁刷和标定片，下层圆环为固定圆环，其上安装有发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口，所述发射端安装于发射窗口外，所述接收端包括透射接收端和散射接收端，分别安装于透射接收窗口和散射接收窗口外；所述清洁刷和标定片分别设置三个，三个清洁刷分别位于上述三个窗口的同一侧相同位置上，三个标定片分别位于上述三个窗口的另一侧相同位置上。

2.根据权利要求1所述的一种能见度传感器，其特征在于，所述清洁刷和标定片均位于上层圆环的内圈，所述发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口内均设置透镜和窗口片，所述透镜位于下层圆环的外圈，所述窗口片位于下层圆环的内圈，所述清洁刷与发射窗口、透射接收窗口或散射接收窗口对齐时，可与窗口片紧密接触。

3.根据权利要求1所述的一种能见度传感器，其特征在于，所述下层圆环顶部外侧设有凸缘，所述上层圆环横截面为内扣结构，所述凸缘嵌入所述内扣结构中，所述上层圆环外侧设有大齿轮，通过与其齿轮啮合的小齿轮与电机相连，所述电机和小齿轮安装于发射端。

4.根据权利要求3所述的一种能见度传感器，其特征在于，所述发射端内设置红外LED和发射控制器，所述透射接收端内设置透射接收器，所述散射接收端内设置散射接收器，且透射接收器与散射接收器信号连接。

5.根据权利要求1所述的一种能见度传感器，其特征在于，所述下层圆环上与标定片对应的位置处设置标定片保护壳，所述标定片保护壳两侧开口，所述标定片可旋转进入标定片保护壳内。

6.根据权利要求1所述的一种能见度传感器，其特征在于，所述发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口的光轴处于同一水平面上，所述透射接收窗口位于发射窗口的正对面，所述散射接收窗口位于发射窗口的侧对面，所述散射接收窗口与发射窗口之间的散射夹角为30-50°。

7.一种如权利要求1所述的能见度传感器的自清洁方法，其特征在于，控制上层圆环在一定角度内来回旋转，上层圆环带动清洁刷在发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口上来回运动，从而对窗口进行清洁，清洁完毕后，控制上层圆环反向旋转，到达初始位置。

8.一种如权利要求1所述的能见度传感器的标定方法，其特征在于，包括如下过程：

该能见度传感器使用前，首先利用能见度计量检定装置产生稳定的能见度环境，对能见度传感器进行标定；将标定片旋转到发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口的位置，记录下此时能见度传感器测量得到的能见度值，将该能见度值作为此标定片的标准值Y；

能见度传感器在海上工作一定时间，需要进行能见度传感器进行标定时，控制上层圆环旋转，使标定片旋转到发射窗口、透射接收窗口和散射接收窗口的位置，记录测试能见度传感器测量的能见度值X，利用修正系数对能见度仪进行修正：

Y＝K*X

式中：Y为标定片的标准值，X为修正前能见度传感器测量的能见度值，根据修正公式，得到修正系数K；

最后，对能见度传感器正常工作时，测量得到的能见度值乘以修正系数K，得到修正后的能见度数据。