CN210269631U - 便携式降雪颗粒形态观测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式降雪颗粒形态观测装置，包括底座以及垂直设置在底座两侧边、且相互平行的立柱，两立柱之间通过垂直于立柱的滑轨固定连接；所述底座上放置有采集降雪颗粒的样品采集板，样品采集板的上方设置有用于拍摄降雪颗粒形态的CCD相机，所述滑轨上配装有用于精准调节CCD相机位置的位置调节机构；位于滑轨上方的两立柱之间安装有与CCD相机输出端连接、用于显示采集的降雪颗粒形态的显示屏。本实用新型结构简单，操作方便，测量结果真实可靠，观测人员可随身携带，就地进行观测，可以真实测量降雪颗粒的雪晶形态、尺度以及凇附程度等，提高了观测效率以及观测准确度。

Description

便携式降雪颗粒形态观测装置

技术领域

本实用新型涉及云物理和人工影响天气测量技术领域，特别是一种用于观测降雪颗粒的装置。

背景技术

冬季降雪是全球水循环的重要组成部分，冬季降雪对社会、气候、地质、农业和生态系统至关重要。降雪的形成主要与环境条件和云中以及云下微物理过程有直接的关系，所以深入研究冬季降雪过程云中和地面冰相粒子形状及其演变等微物理特性以及与之紧密联系的宏观动力和热力条件，对理解冬季降雪形成机制具有重要的基础科学意义。

目前，精确预报复杂地形下山区降雪过程是极具挑战的，主要在于降雪分布高时空变异性以及与之相关联的冰相粒子形状、落速和粒子谱等微物理特性以及粒子谱参数化的巨大复杂性，所以对冬季降雪过程微物理特性的观测研究一直都受到科学家们的关注和高度重视。

雪花相态微物理特性的地面观测方法主要有显微拍摄法和光学仪器等，学者们利用这些方法取得了初步的观测结果。其中，雪晶的显微拍摄法目前没有成型的产品，仅限于科学家们对显微镜的改装和设备爱好者对相机的改装。

从上世纪30年代外国科学家们探索通过涂有石蜡的载玻片对雪花进行采样，并结合显微镜进行观测，这种通过胶片相机接显微镜的办法耗时，效果也较差。随着数码技术的发展，拍照技术大大便捷，国内在60年代曾用过显微镜拍摄雪花(酆大雄，1963年)，但由于雪花较大，即使低倍镜显微镜放大倍率也太高，无法看清雪花整体形貌，只能通过拍摄不同的位置进行拼接的办法，效率低，无法进行随机样本的统计。近些年，国外部分摄影爱好者通过改装相机接放大镜头的方法在野外拍摄雪花，但他们的关注点主要在于单颗雪花的美学形貌，缺乏科学统计意义，并且拍摄效果与个人拍摄技术息息相关，无法作为通用的设备使用。

随着光学技术的迅猛发展，利用光学探头对降雪粒子进行观测在许多研究中被采用。这些光学仪器主要用于飞机观测和地面外场观测，用于测量粒子的尺度和速度，其使用极大地提高了对降雪粒子为物理特性的观测水平，具有统计研究意义；但对单颗粒雪晶的高分辨率的细节探测性较差，且设备费用极其高昂，很大程度上限制了使用和普及。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种易于推广、方便携带、使用成本较低、可用于真实测量冬季降雪微观相态的便携式降雪颗粒形态观测装置。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案如下。

便携式降雪颗粒形态观测装置，包括底座以及垂直设置在底座两侧边、且相互平行的立柱，两立柱之间通过垂直于立柱的滑轨固定连接；所述底座上放置有采集降雪颗粒的样品采集板，样品采集板的上方设置有用于拍摄降雪颗粒形态的CCD相机，所述滑轨上配装有用于精准调节CCD相机位置的位置调节机构；位于滑轨上方的两立柱之间安装有与CCD相机输出端连接、用于显示采集的降雪颗粒形态的显示屏。

上述便携式降雪颗粒形态观测装置，所述样品采集板为高透光玻璃。

上述便携式降雪颗粒形态观测装置，所述底座包括两根平行的底梁，两底梁的上端面间通过固定的、放置样品采集板的支撑板连接，两立柱分别设置两底梁上；所述支撑板下方的两底梁间通过支架固定设置有朝向样品采集板的LED光源以及为LED光源和显示屏提供工作电压的充电电源；所述支撑板上开设有使LED光源发出的光线透过支撑板照射到样品采集板底端面的通孔。

上述便携式降雪颗粒形态观测装置，所述立柱上还固定有用于测量观测环境温湿度的温湿度传感器，温湿度传感器的输出端与显示屏的输入端连接。

上述便携式降雪颗粒形态观测装置，两立柱的顶端固定设置有防止降雪影响样品采集板上的样品观测形态的挡雪板。

由于采用了以上技术方案，本实用新型所取得技术进步如下。

本实用新型结构简单，操作方便，测量结果真实可靠，观测人员可随身携带，就地进行观测，避免了传统拍摄时只能在室外接雪花然后回到室内显微镜拍摄时温度高造成的雪晶融化带来的测量不真实，同时通过挡雪板也避免了直接在户外观测时正在下落的雪花对样本观测的干扰；另外，结合高精度CCD相机以及底部光源的设置，可以真实测量降雪颗粒的雪晶形态、尺度以及凇附程度等，提高了观测效率以及观测准确度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型电气原理图；

图3为本实用新型的液晶屏显示的采集到的降雪颗粒图片。

其中：1.底座，2.立柱，3.挡雪板，4.位置调节机构，5.样品采集板，6.LED光源，7.支撑板，8.CCD相机，9.温湿度传感器，10.显示屏，11.连接块。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本实用新型进行进一步详细说明。

一种便携式降雪颗粒形态观测装置，其结构如图1所示，包括底座1以及垂直设置在底座两侧边、且相互平行的立柱2，两立柱的中部通过垂直于立柱的滑轨固定连接，两立柱的底端通过横梁固定连接，两立柱的顶端通过挡雪板3固定连接；挡雪板为半透明PVC材料制作，还用于防止降雪影响样品采集板上的样品观测形态。

底座包括两根平行的底梁，两底梁的上端面间通过支撑板7连接，两立柱分别设置两底梁上，底梁与立柱之间，以及立柱与横梁分别通过连接块11连接，如图1所示，起到加强稳固作用。本实用新型可方便地固定在室外场所，主体结构稳固，避免了拍摄时相机或放大镜头的轻微抖动而重影响拍摄效果的问题。

底座上支撑板的上方放置有采集降雪颗粒的样品采集板5。本实用新型中，样品采集板采用200mm*200mm尺寸的高透光玻璃，采样面积是传统载玻片(76mm*25mm)的20倍，雪晶采集效率高，同样时间采集的雪晶数量多，只需移动才样板即可多租拍摄，大大减少了观测人员在寒冷的户外进行接雪的时间，解决了以往用载玻片采集雪花时样品少无法统计的缺点。

样品采集板的上方设置有CCD相机8，用于拍摄降雪颗粒形态；滑轨上配装有用于精准调节CCD相机位置的位置调节机构4。

CCD相机采用数码相机接镜头的结构，镜头采用2.5～5连续变倍镜头，和数码相机之间用转换器连接。数码相机可采用单反相机或工业相机，本实用新型使用数码相机为松下数码相机LUMIX GH5的主机，数码相机采集的图像区域最大可达49mm*65.5mm(2.5倍放大率)，本实用新型在观测雪花时建议使用4倍率进行观测(视野为39mm*32mm)，该放大倍数既能高清看出雪花相态和凇附程度，又能在视野中同时拍下多个雪花，解决了以往显微观测时放大倍数过大而无法看清雪花完整形貌的缺点。

本实用新型中，位置调节机构采用精密调焦器，带有竖直方向和水平方向高精度微调功能(0-150mm调节范围)，可以直接购买获得。CCD相机安装后，镜头与样品采集板的距离在竖直和水平方向都能在0～150mm范围内实现精密微调，固定的放大倍率的焦距固定后无需再调；解决了微距拍摄时对焦不准的缺点。

另外，本实用新型还可在CCD相机上设置遥控拍摄信号器，遥控拍摄信号器选用唯卓710P1无线定时快门遥控器，一端与CCD相机相连，另一端由观测人员手持控制，通过无线遥控数码相机进行拍摄，避免了快门抖动造成的震动干扰。

位于滑轨上方的两立柱之间安装有显示屏10，显示屏10的输入端与CCD相机8输出端连接，用于显示CCD相机采集的降雪颗粒形态。本实用新型中，显示屏采用10英寸高清液晶屏(HDMI接口，1920*1080分辨率)，方便查看雪花清晰细节，解决了传统拍摄时无法大屏实时查看的缺点，避免了通过取景框或传统相机小屏幕查看时对焦距的误差。

支撑板下方的两底梁间通过支架固定设置有LED光源6以及充电电源。

LED光源6朝向样品采集板5设置，并且支撑板上开设有使LED光源6发出的光线透过支撑板照射到样品采集板底端面的通孔；实现LED光源透过通孔向样品采集板打光，提高观测环境的亮度，使得样本雪花既有清晰轮廓相态，又有一定的表面细节特征；本实施例中LED光源采用高亮LED透射光源。充电电源用于为LED光源和显示屏提供工作电压。

为体现降雪颗粒形态与温湿度的关系，本实用新型在立柱上还固定设置了温湿度传感器9，用于测量观测环境温湿度，温湿度传感器9的输出端与显示屏的输入端连接，将采集现场观测的温度值和湿度值发送给显示屏，便于后期分析时，添加拍摄当时的温度和湿度信息。

本实用新型中各电气部件的电连接关系如图2所示。

本实用新型使用方法如下：

(1)把装置放置在平台上，打开CCD相机和显示屏，调整LED光源亮度，精密调焦器调整镜头位置，使得镜头末端与样品采集板的距离为4cm左右。

(2)由观测人员拿取样品采集板，水平放置，根据降雪强度暴露5-10秒进行雪花采样(一般一次收集至少20-30个雪花粒子)。

(3)样品采集板放到底座的支撑板上，调整镜头焦距到4倍放大倍率，调整微调旋钮，使得显示屏上图像中雪晶图片清晰。

(4)调整样品采集板的位置，放到CCD相机镜头下面从左到右(或从上到下，要求放大倍数固定和拍摄区域不重复)移动，连续拍摄6-9张图片，如图3所示。

一般观测一组需要1分钟，所以整个降雪期间雪花显微观测最小为间隔1分钟最长不超过10分钟。每组在观测前采集一张空白背景图片作为背景，以便后期对比分析。

本实用新型操作方便，无需专业摄影技术、成本低，观测人员可随身携带，可作为外场观测的设备在全国推广，尤其是用于外场没有观测站的位置，也可配合交通工具研究不同位置(山区不同高度、不同水平方位)的降雪微观特征，将很大程度上促进我国不同区域降雪微物理领域的研究。

Claims (5)

1.便携式降雪颗粒形态观测装置，其特征在于：包括底座(1)以及垂直设置在底座两侧边、且相互平行的立柱(2)，两立柱之间通过垂直于立柱的滑轨固定连接；所述底座上放置有采集降雪颗粒的样品采集板(5)，样品采集板的上方设置有用于拍摄降雪颗粒形态的CCD相机(8)，所述滑轨上配装有用于精准调节CCD相机位置的位置调节机构(4)；位于滑轨上方的两立柱之间安装有与CCD相机(8)输出端连接、用于显示采集的降雪颗粒形态的显示屏(10)。

2.根据权利要求1所述的便携式降雪颗粒形态观测装置，其特征在于：所述样品采集板(5)为高透光玻璃。

3.根据权利要求2所述的便携式降雪颗粒形态观测装置，其特征在于：所述底座包括两根平行的底梁，两底梁的上端面间通过固定的、放置样品采集板的支撑板(7)连接，两立柱分别设置两底梁上；所述支撑板下方的两底梁间通过支架固定设置有朝向样品采集板(5)的LED光源(6)以及为LED光源和显示屏提供工作电压的充电电源；所述支撑板上开设有使LED光源(6)发出的光线透过支撑板照射到样品采集板底端面的通孔。

4.根据权利要求1所述的便携式降雪颗粒形态观测装置，其特征在于：所述立柱上还固定有用于测量观测环境温湿度的温湿度传感器(9)，温湿度传感器(9)的输出端与显示屏的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的便携式降雪颗粒形态观测装置，其特征在于：两立柱的顶端固定设置有防止降雪影响样品采集板上的样品观测形态的挡雪板(3)。

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