CN110794486A - 一种降雨量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降雨量传感器，涉及电子技术领域，包括：外壳，压电振子，信号处理电路和处理器，其中，信号处理电路相连接分别与压电振子和处理器相连接，压电振子设置在外壳的内部，且压电振子中包括多个并联连接的压电传感元件；外壳的外壁用于在受到雨滴撞击时发生弹性形变，产生机械振动信号；压电振子用于获取机械振动信号，并将机械振动信号转换为电信号，以及将电信号发送给信号处理电路；信号处理电路用于对电信号进行信号处理，得到直流脉冲信号；处理器用于将直流脉冲信号中的峰值电压转换为每个雨滴的体积，并对全部雨滴的体积进行加和处理，得到降雨量。本发明解决了现有的降雨量传感器测量精确度较低的技术问题。

Description

一种降雨量传感器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其是涉及一种降雨量传感器。

背景技术

现有的基于振动法的降雨测量仪器，按测量原理分为磁电式和压电式两种，基于磁电式原理的降雨测量仪器重量大、功耗大、成本高，不适合大批量的工程应用。现有压电式降水测量仪器存在的主要问题是难以保证对于大雨、小雨以及降雨微观特征都具有较高的测量精度。例如，压电式降雨量传感器无法在整个传感区域都获得均匀的振动响应，引起单个雨滴测量的误差；传感器灵敏度不足，导致难以精确测量较小雨滴的尺寸；以及在大强度的降雨测量中，短时间间隔采集到的两个雨滴信号易发生混叠，引起测量误差等局限性。

针对上述问题，还未提出有效的解决方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降雨量传感器，以缓解了现有的降雨量传感器的灵敏度较低，无法精确的测量出体积较小的雨滴的体积的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种降雨量传感器，该传感器包括：外壳，压电振子，信号处理电路和处理器，其中，所述信号处理电路相连接分别与所述压电振子和所述处理器相连接，所述压电振子所述外壳的内部，所述压电振子中包括多个并联连接的压电传感元件；所述外壳用于在受到雨滴撞击时发生弹性形变，产生机械振动信号；所述压电振子用于获取所述机械振动信号，并将所述机械振动信号转换为电信号，以及将所述电信号发送给所述信号处理电路；所述信号处理电路用于对所述电信号进行信号处理，得到直流脉冲信号；所述处理器用于将所述直流脉冲信号中的峰值电压转换为每个所述雨滴的体积，并对全部雨滴的体积进行加和处理，得到降雨量。

进一步地，所述压电传感元件按照预设距离均匀的贴合在所述外壳的内壁上。

进一步地，所述信号处理电路包括：第一信号处理电路和第二信号处理电路，其中，所述第一信号处理电路分别与所述压电振子和所述处理器相连接，所述第二信号处理电路分别与所述压电振子和所述处理器相连接；所述第一信号处理电路用于对所述电信号进行信号处理，得到第一直流脉冲信号；所述第二信号处理电路用于对所述电信号进行信号处理，得到第二直流脉冲信号。

进一步地，所述第一信号处理电路包括：第一信号放大电路，第一带通滤波电路和第一有效值转换器，其中，所述第一带通滤波电路分别与所述第一信号放大电路和所述第一有效值转换器相连接，所述第一信号放大电路与所述压电振子相连接，所述第一有效值转换器与所述处理器相连接；所述第一信号放大电路用于按照第一预设倍数对所述电信号进行放大，得到第一电信号，并将所述第一电信号发送给所述第一带通滤波电路；所述第一带通滤波电路用于对所述第一电信号进行滤波处理，得到第一振动脉冲信号；所述第一有效值转换器用于将所述第一振动脉冲信号转换成所述第一直流脉冲信号。

进一步地，所述第一有效值转换器通过均方根转换法将所述第一振动脉冲信号转换为所述第一直流脉冲信号。

进一步地，所述第二信号处理电路包括：第二信号放大电路，第二带通滤波电路和第二有效值转换器，其中，所述第二带通滤波电路分别与所述第二信号放大电路和所述第二有效值转换器相连接，所述第二信号放大电路与所述压电振子相连接，所述第二有效值转换器与所述处理器相连接；

所述第二信号放大电路用于按照第二预设倍数对所述电信号进行放大，得到第二电信号，并将所述第二电信号发送给所述第二带通滤波电路，其中，所述第一预设倍数小于所述第二预设倍数；所述第二带通滤波电路用于对所述第二电信号进行滤波处理，得到第二振动脉冲信号；所述第二有效值转换器用于将所述第二振动脉冲信号转换成所述第二直流脉冲信号。

进一步地，所述第二有效值转换器通过均方根转换法将所述第二振动脉冲信号转换为所述第二直流脉冲信号。

进一步地，所述处理器还用于：获取所述第一直流脉冲信号和所述第二直流脉冲信号，并判断所述第二直流脉冲信号是否被削顶；如果所述第二直流脉冲信号被削顶，则将所述第一直流脉冲信号中的峰值电压转换为每个所述雨滴的体积，并对全部雨滴的体积进行加和处理，得到降雨量；如果所述第二直流脉冲信号未被削顶，则将所述第二直流脉冲信号中的峰值电压转换为每个所述雨滴的体积，并对全部雨滴的体积进行加和处理，得到降雨量。

进一步地，所述处理器还包括：总线接口，其中，所述总线接口为RS232 总线接口，用于将所述处理器与上位机进行连接，以使所述处理器通过所述RS232总线接口向所述上位机发送所述降雨量。

在本发明实施例中，通过包含多个并联连接的压电传感元件的压电振子将雨滴撞击在外壳产生的振动信号转换为电信号，然后经过信号处理电路对电信号进行处理，得到直流脉冲信号，最后通过处理器将直流脉冲信号中的峰值电压转换为每个雨滴的体积，并对全部雨滴的体积进行加和处理，得到降雨量。

通过上述描述可知，由于压电振子中包括多个并联的压电传感元件，在雨滴撞击外壳时，外壳发生弹性形变，产生机械振动信号，压电振子能够获得较为均匀的机械振动信号，从而减小边界效应在传感器进行降雨量检测时的影响，提高降雨量传感器的测量精确度进而解决了现有的降雨量传感器的测量精确度较低的技术问题，能够精确的测量出体积较小的雨滴的体积。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种降雨量传感器的示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种降雨量传感器的示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种降雨量传感器的示意图；

图4为本发明实施例提供的第一信号处理电路的电路图；

图5为本发明实施例提供的一种降雨量传感器的效果图；

图6为本发明实施例提供的原始电信号的波形图；

图7为本发明实施例提供的经过原始电信号有效值计算后的电信号的波形图；

图8为本发明实施例提供的包含单个压电传感单元的降雨量传感器，雨滴撞击位置与外壳中位置之间的距离与机电转换系数的关系示意图；

图9为本发明实施例提供的包含多个压电传感单元的降雨量传感器，雨滴撞击位置与外壳中位置之间的距离与机电转换系数的关系示意图；

图10为本发明实施例提供的各个直流脉冲信号的峰值电压加和统计数据示意图；

图11为本发明实施例提供的翻斗雨量计测量的降雨量统计数据示意图；

图12为本发明实施例提供的降雨量传感器测量的降雨量统计数据与翻斗雨量计测量的降雨量统计数据的对比图；

图13为本发明实施例提供的三种情况下连续两个雨滴撞击外壳后产生的机械振动信号的仿真波形图；

图14为本发明实施例提供的连续两个雨滴重叠撞击降雨量传感器后，生成的对应的直流脉冲信号的有效值信号示意图；

图15为本发明实施例提供的仿真情况下降雨量传感器采集到的所有雨滴粒径分布示意图；

图16为本发明实施例提供的实际测量情况下降雨量传感器采集到所有雨滴粒径分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

图1是根据本发明实施例的一种降雨量传感器，如图1所示，该传感器包括：外壳10，压电振子20，信号处理电路30和处理器40，其中，所述信号处理电路30相连接分别与所述压电振子20和所述处理器40相连接，所述压电振子20设置在所述外壳10的内部，所述压电振子20中包括多个并联连接的压电传感元件；

所述外壳10用于在受到雨滴撞击时发生弹性形变，产生机械振动信号；

所述压电振子20用于获取所述机械振动信号，并将所述机械振动信号转换为电信号，以及将所述电信号发送给所述信号处理电路；

所述信号处理电路30用于对所述电信号进行信号处理，得到直流脉冲信号；

所述处理器40用于将所述直流脉冲信号中的峰值电压转换为每个所述雨滴的体积，并对全部雨滴的体积进行加和处理，得到降雨量。

在本发明实施例中，通过上述描述可知，由于压电振子中包括多个并联的压电传感元件，在雨滴撞击外壳时，外壳发生弹性形变，产生机械振动信号，压电振子能够获得较为均匀的机械振动信号，从而减小边界效应在传感器进行降雨量检测时的影响，提高降雨量传感器的测量精确度进而解决了现有的降雨量传感器的测量精确度较低的技术问题，能够精确的测量出体积较小的雨滴的体积。

需要说明的是，优选地，处理器采用新一代8051单片机STC12C5A60S2。但是，本实施例中，并不限定处理器一定为8051单片机STC12C5A60S2，能够对8051单片机STC12C5A60S2进行替换的处理器都在本申请的保护范围内。

另外，需要说明的是，上述的压电振子是由多个并联连接的压电传感单元组成的，且按照预设距离均匀的贴合在所述外壳的内壁上，压电振子在一个雨滴撞击下的输出信号为所有传感元件并联汇总后的结果，即每一时刻压电振子的输出电压为所有传感元件中的最大电压值，从而能够使压电振子有效传感区域内获得较为均匀的响应关系。

另外，还需要说明的是，外壳为金属材料制成。

在本发明实施例中，如图2所示，信号处理电路30包括：第一信号处理电路31和第二信号处理电路32，其中，所述第一信号处理电路31分别与所述压电振子20和所述处理器40相连接，所述第二信号处理电路32分别与所述压电振子20和所述处理器40相连接；

所述第一信号处理电路31用于对所述电信号进行信号处理，得到第一直流脉冲信号；

所述第二信号处理电路32用于对所述电信号进行信号处理，得到第二直流脉冲信号。

在本发明实施例中，信号处理电路包括第一信号处理电路和第二信号处理电路，压电振子发送的电信号分别输入第一信号处理电路和第二信号处理电路，对该电信号进行处理。

经过第一信号处理电路处理后的电信号转变为第一直流脉冲信号，经过第二信号处理电路处理后电信号转变为第二直流脉冲信号。

通过将电信号转变为直流脉冲信号可以有效的降低降雨量传感器的采样分辨率，同时，由于第一信号处理电路和第二信号处理电路能够对电信号进行不同的处理得到两个属性不同的直流脉冲信号，当两个直流脉冲信号输入处理器后，处理器能够根据上述两个直流脉冲信号的属性进行择优处理，从而提高了降雨量传感器的测量精确度。

在本发明实施例中，如图3所示，所述第一信号处理电路31包括：第一信号放大电路311，第一带通滤波电路312和第一有效值转换器313，其中，所述第一带通滤波电路312分别与所述第一信号放大电路311和所述第一有效值转换器313相连接，所述第一信号放大电路311与所述压电振子20相连接，所述第一有效值转换器313与所述处理器40相连接；

所述第一信号放大电路311用于按照第一预设倍数对所述电信号进行放大，得到第一电信号，并将所述第一电信号发送给所述第一带通滤波电路；

所述第一带通滤波电路312用于对所述第一电信号进行滤波处理，得到第一振动脉冲信号；

所述第一有效值转换器313用于将所述第一振动脉冲信号转换成所述第一直流脉冲信号。

在本发明实施例中，压电振子将电信号输入第一放大电路，第一放大电路将上述电信号放大第一预设倍数，得到第一电信号，其中，第一预设倍数的具体数值根据实际情况由用户自行设定，在本发明中不做具体限定。

第一带通滤波电路对上述第一电信号进行滤波处理，将第一电信号中的高频噪声和低频纹波干扰信号滤除，进而得到第一振动脉冲信号，其中，第一带通滤波电路的通频带有压电振子的固有频率所决定。

最后，第一有效值转化器将第一振动脉冲信号转变为第一直流脉冲信号。

需要说明的是，第一有效值转换器可以采用AD536A真均方根直流转换器，该转换器通过均方根转换法将第一振动脉冲信号转换为第一直流脉冲信号，均方根转换法相比于电桥法能够有效降低转换过程中的信号损失，同时降低了转换过程中的采样频率，进而使输出的第一直流脉冲信号更稳定。

在本发明实施例中，如图3所示，所述第二信号处理电路32包括：第二信号放大电路321，第二带通滤波电路322和第二有效值转换器323，其中，所述第二带通滤波电路322分别与所述第二信号放大电路321和所述第二有效值转换器323相连接，所述第二信号放大电路321与所述压电振子20相连接，所述第二有效值转换器323与所述处理器40相连接。

所述第二信号放大电路321用于按照第二预设倍数对所述电信号进行放大，得到第二电信号，并将所述第二电信号发送给所述第二带通滤波电路，其中，所述第一预设倍数小于所述第二预设倍数；

所述第二带通滤波电路322用于对所述第二电信号进行滤波处理，得到第二振动脉冲信号；

所述第二有效值转换器323用于将所述第二振动脉冲信号转换成所述第二直流脉冲信号。

在本发明实施例中，压电振子将电信号输入第二放大电路，第二放大电路将上述电信号放大第二预设倍数，得到第二电信号，其中，第二预设倍数的具体数值根据实际情况由用户自行设定，且第一预设倍数小于第二预设倍数，在本发明中不做具体限定。

第二带通滤波电路对上述第二电信号进行滤波处理，将第二电信号中的高频噪声和低频纹波干扰信号滤除，进而得到第二振动脉冲信号，其中，第二带通滤波电路的通频带有压电振子的固有频率所决定。

最后，第二有效值转化器将第二振动脉冲信号转变为第二直流脉冲信号。

需要说明的是，第二有效值转换器可以采用AD536A真均方根直流转换器，该转换器通过均方根转换法将第二振动脉冲信号转换为第二直流脉冲信号，均方根转换法相比于电桥法能够有效降低转换过程中的信号损失，同时降低了转换过程中的采样频率，进而使输出的第二直流脉冲信号更稳定。

另外，还需要说明的是，处理器在获取到第一直流脉冲信号和第二直流脉冲信号后，将判断所述第二直流脉冲信号是否被削顶，其中，削顶为当第二放大电路对电信号进行放大过程中由于电信号的电压大于第二放大电路的供电电压时出现的信号失真现象。

如果所述第二直流脉冲信号被削顶，则将第一直流脉冲信号中的峰值电压转换为每个雨滴的体积，并对全部雨滴的体积进行加和处理，得到降雨量。

如果第二直流脉冲信号未被削顶，则将第二直流脉冲信号中的峰值电压转换为每个雨滴的体积，并对全部雨滴的体积进行加和处理，得到降雨量。

在本发明实施例中，所述处理器40还包括：总线接口41，其中，所述总线接口41为RS232总线接口，用于将所述处理器40与上位机进行连接，以使所述处理器40通过所述RS232总线接口向所述上位机发送所述降雨量。

在本发明实施例中，处理器40还包括RS232总线接口，处理器可以通过该总线接口与上位机进行连接，从而使处理器能够将降雨量通过该总线接口发送给上位机，进而使用户能够直观的了解到具体的降雨量的数值。

结合图1至图7，对上述的降雨量传感器的具体工作过程进行说明。

当雨滴撞击外壳后，外壳将产生机械振动信号，压电传感组件采集到机械振动信号后，压电传感组件电极之间产生电压差，进而形成电信号。

相同高度落下的雨滴，雨滴的直径越大，撞击外壳时产生的冲击力越大，外壳产生的机械振动信号的振幅越大，压电传感组件电极之间产生电压差越大，输出的电信号的振幅也就越大。

如图6和图7所示，图6为压电传感组件输出的原始电信号示意图，图7为压电传感组件输出的电信号的有效值计算结果示意图，结合图6和图7可知，压电传感组件输出的电信号的有效值计算能够有效的提高电信号的抗干扰能力、简化电信号处理过程。

将压电传感组件输出的经过有效值计算的电信号分别输入第一放大电路和第二放大电路分别对上述的电信号进行信号放大处理，得到第一电信号和第二电信号，在本实施例中，第一放大电路的第一预设倍数为1倍，第二放大电路的第二预设倍数为100倍。

然后，将第一电信号输入第一带通滤波电路进行滤波处理，得到第一振动信号，接着将第一振动信号发送给第一有效值转换器，第一有效值转换器将第一振动信号转换为第一直流脉冲信号。

将第二电信号输入第二带通滤波电路进行滤波处理，得到第二振动信号，接着将第二振动信号发送给第一有效值转换器，第二有效值转换器将第二振动信号转换为第二直流脉冲信号。

最后，将第一直流脉冲信号和第二直流脉冲信号输入处理器，处理器优先对第二直流脉冲信号进行判断，判断第二直流脉冲信号是否被削顶。

如果第二直流脉冲信号未被削顶，则处理器通过内置的程序对未被削顶的第二直流脉冲信号进行模数转换，将完成模数转换的第二直流脉冲信号的峰值电压，根据处理器内置的程序中预设的标定系数，将第二直流脉冲信号转换为雨滴的体积；

如果第二直流脉冲信号被削顶，则处理器通过内置的程序对第一直流脉冲信号进行模数转换，将完成模数转换的第一直流脉冲信号的峰值电压，根据处理器内置的程序中预设的标定系数，将第一直流脉冲信号转换为雨滴的体积。

将预设采集时间内的每个雨点的体积进行加和统计，得到该预设采集时间的雨滴的总体积，即为预设采集时间内降雨量。

由上述可知，采用不同放大倍数的两路信号并行处理分析的方法，保证足够的量程和分辨率来兼顾大、小雨滴的测量，当雨滴体积较大时，该雨滴对应的第一直流脉冲信号会被削顶，因此处理器将该雨滴对应的第二直流脉冲信号的峰值电压转换为该雨滴的体积。

当雨滴体积较小时，该雨滴对应的第一直流脉冲信号不会被削顶，因此处理器将该雨滴对应的第一直流脉冲信号的峰值电压转换为该雨滴的体积，从而能够更加精确的测量出体积较小的雨滴的实际体积。

下面将结合图6和图7，详细介绍降雨量传感器中包含的压电传感元件数量对降雨量传感器测量降雨量的影响。

雨滴在降落过程中由于受到空气阻力，随着速度的增加，加速度会逐渐减小，最终达到雨滴的落地终速。根据Gossard模型，雨滴的垂向下落终速为

V_t＝9.65[1.0-exp(-0.53D_eq)]

其中D_eq为等效直径。雨滴的下落的垂直动量则为

p_v＝mV_v＝m(V_t+V_wv)

其中，m是雨滴的质量，V_t是垂向雨滴终速，V_wv是垂向风速。我们忽略通常情况很小的垂向风速，则垂直动量只与雨滴的质量和下落终速相关

p_v＝mV_t

雨滴冲击外壳产生机械振动，压电传感组件将振动信号转换为电信号输出。每个雨滴对应的输出电信号为振幅指数衰减的脉冲信号如图6所示，电压传感组件输出的电信号的电压峰值出现在雨滴撞击外壳的时刻，峰值电压为

其中c是常数，由压电传感组件的制作材料的压电系数决定，ρ为雨水的密度。雨滴终速V_t与雨滴粒径D_eq正相关，因此可以通过采集每个压电元件输出脉冲的峰值电压，来计算对应雨滴的粒径和体积。

为了提高降雨量传感器的抗干扰能力、简化信号处理过程，通过压电传感元件输出的电信号的电压有效值来间接估计电信号的峰值电压的高低变化。上述电压有效值即为均方根值

其中，u_RMS(t)为上述的电压有效值，u(t)为原始电压信号。T为积分时间。图6所示信号的频率为压电传感器的固有频率，频域分析可得固有频率f_N＝770Hz，当T＝1/f_N，即积分时间等于电信号的振动周期时

U_m为一个振动周期内u(t)的最大值，U_RMS为对应有效值电压信号的峰值。为了使有效值信号更加稳定，积分时间可以取3-10个振动周期，此时

k_p为该积分时间下的波峰因数。因此采集上述电压有效值的峰值即可估计原始电压信号峰值的高低，一个雨滴对应的振动脉冲信号有效值转换得到的有效值信号

由于传感器外壳的结构和支撑的影响，其输出信号的边界效应是不可避免的。可以通过控制固体粒子从相同高度下落撞击传感器来实验模拟具有相同动量的单个雨滴粒子撞击传感器的不同位置，得到外壳不同位置的机电转换系数c(r)，r为撞击位置与外壳中心点之间的距离。设雨滴落在外壳的各个位置的概率相同，可以计算得到有效的外壳传感面积内的平均机电转换系数

外壳区域半径R＝60mm，所示的只粘贴一个压电片的传感器在同等大小的冲击下的振动响应和撞击位置的关系曲线c(r)如图8所示。粒子落在我外壳边缘的输出电信号的电压只有相同动量的粒子落在外壳中心时输出电压的一半，在单个雨滴的测量中会引起很大误差，单个雨滴粒径测量相对误差的数学期望为20.1％。如果的多个压电传感单元并联结构，可以有效减小边界效应对单个雨滴测量结果的影响，跌落位置一响应对应关系如图9所示，单个雨滴粒径的测量相对平均误差可以减小到10.2％。

因此，采用包含并联多个压电传感单元的压电传感器，在进行降雨量测量时，具有更好的精确度。

为了得到降雨量传感器输出的直流脉冲信号的峰值电压与降雨量之间的关系，需要对降雨量传感器输出的直流脉冲信号的峰值电压和雨滴体积的关系进行标定。这里以翻斗雨量计的输出雨量为参考。

标定系数为各个直流脉冲信号的峰值电压与降雨量之间线性关系，标定系数的计算方法如下所述：

R(t)为t时刻的降雨量，V(t)为雨滴的累计体积，S为降雨量传感器的有效采样面积，U_RMs(i)为处理器进行模数转换的直流脉冲信号的峰值电压， N为t时刻为止采集到的雨滴个数。通过采集R(t)和U_RMS，即可计算标定系数k。

下面将结合图10至图12对上述的标定系数进行说明，以及降雨量传感器测量降雨量的精确度的验证。

模拟降雨的喷头架设在距离地面高5m处，通过喷头喷水来模拟降雨环境。为了保证降雨量传感器接收到的雨滴都能落到翻斗雨量计内，降雨量传感器和翻斗雨量计重叠固定在喷头下方，实验中使用的翻斗雨量计为精密型双翻斗式雨量计，分辨力0.2mm，雨强测量范围0.01mm～4mm/min，测量准确度≤±3％。

在模拟降雨过程中，降雨量传感器和翻斗雨量计同时开始采集数据，并把数据传输到上位机。降雨量传感器输出的各个直流脉冲信号的峰值电压累加数据如图10所示，翻斗雨量计输出雨量累加数据如图11所示。将翻斗雨量计每次翻转时刻的雨量数据带入

可以通过最小二乘法拟合得到标定系数k，图10为使用最小二乘法拟合标定后的降雨量传感器输出降雨量和翻斗雨量计输出的降雨量的对比图，从图10中可以看出降雨量传感器输出降雨量与翻斗雨量计输出的降雨量具有相似的走势。

但是，从图12中可以看出，在850s至900s时段内翻斗雨量计连续翻转，导致翻斗雨量计测量到的降雨量与降雨量传感器测量到的降雨量有较大差别，这是由于表面张力逐渐吸附在翻斗雨量计器壁上的雨滴逐渐积聚后在重力作用下流入翻斗导致的，同时，也说明了翻斗雨量计测量出的降雨量具有不确定的延时，翻斗雨量计测量出的降雨量与降雨量传感器感器测量的降雨量相比，翻斗雨量计测量降雨量的实时性较差。

下面将结合图13至图16，对连续多个雨滴撞击在降雨量传感器上时，降雨量传感器测量降雨量的误差分析，如下所述：

假设一个雨滴撞击外壳，产生的机械振动信号为衰减正弦脉冲

其中，A为机械振动信号幅值，A＝U_m，U_m为压电传感组件将机械振动信号转换为电信号后电信号的电压峰值；B为衰减系数，取B＝40；t₀为机械振动信号的起振时间，即雨滴撞击外壳的时刻，ω_N＝2πf_N，ω_N为外壳的固有振动频率。

图13为连续三种情况下连续两个雨滴撞击外壳后产生的机械振动信号的仿真波形图。

其中，两个雨滴粒径的直径分别为1mm和1.5mm，(a)为图中(a)和(b) 为1.5mm雨滴先撞击外壳1mm雨滴后撞击外壳的情况下的机械振动信号的仿真波形图，(b)中两个雨滴撞击外壳的时间间隔比(a)中两个雨滴撞击外壳的时间间隔更短，(c)为1mm雨滴先撞击外壳1.5mm雨滴后撞击外壳的情况下的机械振动信号的仿真波形图，且两个雨滴撞击外壳的时间间隔与 (b)中相同。

图14为连续两个雨滴重叠撞击降雨量传感器后，生成的对应的直流脉冲信号的有效值信号示意图。

由图14可以看出(a)和(c)两种情况下可以在有效值信号中识别出两个峰值的位置和大小，(b)则只能识别一个峰值，因此当传感器采集到连续两个间隔时间很短、且后一个雨滴粒径小于前一个雨滴粒径时，会使得降雨量传感器在进行降雨量测量中丢失部分雨滴的信息，这种电信号混叠的情形通常发生在大雨量降雨的测量中，从而导致降雨量传感器在进行降雨量测量产生误差。

接下来将结合图15和图16，对将验证上述误差对降雨量传感器在进行降雨量测量时的影响程度进行介绍。

设雨滴的粒径服从Gamma分布

D～Ga(α，β)

同时，雨滴采集的时间间隔服从对数正态分布

lnΔT～N(μ，σ²)

当取α＝2，β＝2，μ＝6.2，σ²＝0.014时，雨滴粒径均值为1mm，方差为0.5mm²，间隔时间均值为0.5s，方差为0.05s²，对应降雨强度为 0.005mm/min，雨滴分布稀疏，几乎没有雨滴丢失时，降雨量传感器的雨量测量误差为0.5％；当取α＝3，β＝2，μ＝4.8，σ³＝0.57时，雨滴粒径均值为1.5mm，方差为0.75mm²，间隔时间均值为0.125s，方差为0.05s²，对应降雨强度为0.05mm/min，雨滴分布稠密，有效值信号产生混叠，当丢失 13％的雨滴时，测量误差为1.2％。

从图13和图14可以看出，在测量中丢失的雨滴粒径主要分布在0mm 到1.5mm之间，雨滴体积小，因此，对降雨量传感器在进行雨量测量时得到的降雨量结果的影响不大。

根据上述的描述可以直到，降雨量传感器在测量降雨量时具有较高的精确度和较好的实时性。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Re模数-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种降雨量传感器，其特征在于，包括：外壳，压电振子，信号处理电路和处理器，其中，所述信号处理电路相连接分别与所述压电振子和所述处理器相连接，所述压电振子设置在所述外壳的内部，所述压电振子中包括多个并联连接的压电传感元件；

所述外壳用于在受到雨滴撞击时发生弹性形变，产生机械振动信号；

所述压电振子用于获取所述机械振动信号，并将所述机械振动信号转换为电信号，以及将所述电信号发送给所述信号处理电路；

所述信号处理电路用于对所述电信号进行信号处理，得到直流脉冲信号；

所述处理器用于将所述直流脉冲信号中的峰值电压转换为每个所述雨滴的体积，并对全部雨滴的体积进行加和处理，得到降雨量。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述压电传感元件按照预设距离均匀的贴合在所述外壳的内壁上。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述外壳由金属材料制成。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括：第一信号处理电路和第二信号处理电路，其中，所述第一信号处理电路分别与所述压电振子和所述处理器相连接，所述第二信号处理电路分别与所述压电振子和所述处理器相连接；

所述第一信号处理电路用于对所述电信号进行信号处理，得到第一直流脉冲信号；

所述第二信号处理电路用于对所述电信号进行信号处理，得到第二直流脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述第一信号处理电路包括：第一信号放大电路，第一带通滤波电路和第一有效值转换器，其中，所述第一带通滤波电路分别与所述第一信号放大电路和所述第一有效值转换器相连接，所述第一信号放大电路与所述压电振子相连接，所述第一有效值转换器与所述处理器相连接；

所述第一信号放大电路用于按照第一预设倍数对所述电信号进行放大，得到第一电信号，并将所述第一电信号发送给所述第一带通滤波电路；

所述第一带通滤波电路用于对所述第一电信号进行滤波处理，得到第一振动脉冲信号；

所述第一有效值转换器用于将所述第一振动脉冲信号转换成所述第一直流脉冲信号。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述第一有效值转换器通过均方根转换法将所述第一振动脉冲信号转换为所述第一直流脉冲信号。

7.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述第二信号处理电路包括：第二信号放大电路，第二带通滤波电路和第二有效值转换器，其中，所述第二带通滤波电路分别与所述第二信号放大电路和所述第二有效值转换器相连接，所述第二信号放大电路与所述压电振子相连接，所述第二有效值转换器与所述处理器相连接；

所述第二信号放大电路用于按照第二预设倍数对所述电信号进行放大，得到第二电信号，并将所述第二电信号发送给所述第二带通滤波电路，其中，所述第一预设倍数小于所述第二预设倍数；

所述第二带通滤波电路用于对所述第二电信号进行滤波处理，得到第二振动脉冲信号；

所述第二有效值转换器用于将所述第二振动脉冲信号转换成所述第二直流脉冲信号。

8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述第二有效值转换器通过均方根转换法将所述第二振动脉冲信号转换为所述第二直流脉冲信号。

9.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述处理器还用于：

获取所述第一直流脉冲信号和所述第二直流脉冲信号，并判断所述第二直流脉冲信号是否被削顶；

如果所述第二直流脉冲信号被削顶，则将所述第一直流脉冲信号中的峰值电压转换为每个所述雨滴的体积，并对全部雨滴的体积进行加和处理，得到降雨量；

如果所述第二直流脉冲信号未被削顶，则将所述第二直流脉冲信号中的峰值电压转换为每个所述雨滴的体积，并对全部雨滴的体积进行加和处理，得到降雨量。

10.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述处理器还包括：

总线接口，其中，所述总线接口为RS232总线接口，用于将所述处理器与上位机进行连接，以使所述处理器通过所述RS232总线接口向所述上位机发送所述降雨量。

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