[发明专利]基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统

说明书

技术领域

本发明属于数据处理领域，涉及雨量数据处理系统，具体的涉及基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统。

背景技术

现有的雨量器或雨量计都存在着明显的缺陷，如：测量精度差、测量误差随降雨强度的变化而剧烈变化、受外界随机因素影响大、安装调整繁琐，使用中进行规范检定困难，无法适应现代化气象观测业务需求，不能满足观测数据的高精度和高稳定性的要求。

目前雨量器或雨量计所使用的传感器，由于其本身存在的固有原理和构造上的缺陷，分辨率越高，在大暴雨条件下系统测量精度就越差。

压电式加速度传感器是一种自发电式传感器，它以电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而能实现非电量电测的目的。

发明内容

本发明的目的是为解决现有雨量测量技术的缺陷，提供一种测量精度高、准确度高且可实时获取降雨量信息的数据处理系统。

本发明为实现发明目的采用的技术方案是：

基于压电加速度传感器的雨量数据处理系统，包括依次相连的碰撞钢盖、安装在碰撞钢盖底面上的压电加速度传感器、电荷信号放大器、A/D模数转换器、MCU微处理器；系统工作时，雨滴碰撞钢盖表面，压电加速度传感器的压电片上产生与雨滴加速度成比例大小的电荷信号，电荷信号放大器将电荷信号处理后形成模拟电压信号，再将模拟电压信号送到A/D模数转换器转换成数字信号，然后将数字信号送到MCU微处理器对数字信号进行运算处理，得到一段时间内的累计降雨量、降雨持续时间、降雨强度等数据，最后通过RS232串口把数据传输到计算机上并显示出来。

所述的电荷信号放大器，包括电荷信号-电压信号转换电路、归一化电路、二阶低通滤波电路、一阶高通滤波电路和电压信号放大电路；电荷信号放大器将电荷信号处理后形成模拟电压信号步骤包括：电荷信号-电压信号转换电路先将电荷信号转换成电压信号，归一化电路确保电压稳定性，再经过二阶低通滤波电路和一阶高通滤波电路的滤波处理把混杂在有用信号中的噪声信号滤除掉，最后电压信号放大电路把滤除噪声信号后的电压信号放大，形成模拟电压信号。

所述的对数字信号进行运算处理，包括选值、累加、公式运算；具体为，当采样得到的数值大于设定最小值而且小于设定最大值时，对采样值求和得到累计降雨量，当前降雨时间减去起始降雨时间得到降雨持续时间，累计降雨量除以降雨持续时间得到降雨强度。

所述的A/D模数转换器为适合高精度测量的16位Σ-Δ型的AD7792芯片。

所述的MCU微处理器为基于ARMCortex-M3内核的STM32F103ZET6芯片。

所述的电荷信号-电压信号转换电路由第一运算放大器和反馈网络组成。

所述的反馈网络为在第一运算放大器的反相端和输出端串接由一个电阻和一个电容组成的并联电路。

所述的归一化电路是由第二运算放大器和串接在第二运算放大器反相端和输出端之间的可变电阻器组成的电路。

所述的二阶低通滤波电路由R6、R7、C8、C9构成的两阶RC网络和第三运算放大器组成，一阶高通滤波电路由C10、R11构成的一阶RC网络和第四运算放大器组成。

所述的电压信号放大电路由R12、R13以及第四运算放大器组成。

本发明的原理是：压电加速度传感器的压电材料（如石英晶片或压电陶瓷片）受到机械载荷时，会在其特定的表面上产生电荷信号，其电荷量大小与所受到的载荷成正比，即Q＝d_ij×F＝d_ij×ma，式中d_ij是二阶压电张量，m为传感器整体质量。雨滴碰撞压电材料产生电荷信号，通过转换电路可测量出碰撞产生的电荷量大小，根据公式（其中d_ij、m都已知），进而可推算出雨滴碰撞钢盖的加速度大小，又根据雨滴碰撞钢盖的加速度与雨滴直径之间的关系(其中d为雨滴直径大小，m为传感器整体质量，g为雨滴密度)，即可推算出雨滴的直径大小，再根据雨滴直径与雨滴质量之间的关系可算出雨滴质量，这样每个碰撞的雨滴信号就可以转换成累积的降雨量，降雨持续时间为从雨滴碰撞钢盖表面开始到雨滴停止碰撞钢盖表面的时间差值，相应的降雨强度为一段时间内累计降雨量与降雨持续时间的比值。推算过程为：

动量方程为：m₁·v₁＝m₂·v₂      （1）

雨滴速度计算公式：v₁＝3.79d^0.60        （2）