本發(fā)明涉及一冰雹傳感器。

背景技術(shù)：

冰雹天氣現(xiàn)象的觀測是地面氣象觀測中最基本的項目之一，觀測冰雹對天氣預報、氣候變化分析和防災減災等社會公眾服務(wù)都有重要意義。冰雹傳感器主要用以檢測冰雹的發(fā)生、統(tǒng)計冰雹的數(shù)量，為天氣現(xiàn)象綜合判定提供依據(jù)。檢測冰雹的技術(shù)可行的方法有振動式的和光學式的。振動式傳感器相比光學式的傳感器判斷冰雹的條件更加充分，因其信號能量大，與雨滴等降水具有明顯界限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決上述問題，旨在自動測量冰雹天氣現(xiàn)象，代替氣象站的人工觀測，實現(xiàn)自動化測量冰雹。產(chǎn)品涉及壓電陶瓷材料學、氣象觀測學、機械電子、模擬電路、信號處理等方面的知識，發(fā)明人根據(jù)中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》(isbn7-5029-3690-4)的要求，設(shè)計開發(fā)了基于壓電陶瓷測量原理的冰雹傳感器，該傳感器可單獨使用，判斷冰雹的發(fā)生、統(tǒng)計冰雹的數(shù)量；與多要素氣象站聯(lián)合應用，有利于氣象綜合觀測以及防災減災；與光學法的降水類天氣現(xiàn)象儀配合使用，可以輔助判斷降水類天氣現(xiàn)象。

具體采用如下技術(shù)方案：

一種冰雹傳感器，包括傳感器感應鑼片1、鑼片固定支架2、壓電陶瓷傳感器3、密封圈4、測量電路5、傳感器基座連接件一6、傳感器基座連接件二7、基座8、程序燒寫航空插頭9、主通訊航空插頭10、頂絲11、固定孔膠墊12和支柱；所述傳感器感應鑼片1與鑼片固定支架2組裝連接形成組件一，壓電陶瓷傳感器3與組件一組裝連接形成組件二，傳感器基座連接件一6和傳感器基座連接件二7組裝連接形成組件三，所述基座8與組件三組裝連接形成組件四，組件四與程序燒寫航空插頭9、主通訊航空插頭10組裝連接形成組件五，組件五與測量電路5組裝連接形成組件六，組件六安裝密封圈4形成組件七，組件二與組件七連接形成組件八，組件八通過頂絲11固定，并墊上固定孔膠墊12，再連接支柱13形成冰雹傳感器。

所述冰雹傳感器的測量電路包括前端電路、信號處理電路、超擺幅比較器電路和接口電路。

所述冰雹傳感器的前端電路連接為：所述冰雹傳感器的前端電路連接為：壓電陶瓷信號輸入端口(p5)，信號接入后與電阻(r11)和(r15)和電容(c20)連接，構(gòu)成第一級濾波，濾波后信號由電容(c16)進行隔直，通過交流信號，通過的交流信號由二極管(d1)連接到3.3v供電電源。前端電路，傳感器前端除了一級濾波外還增加了一個鉗位二極管，在沒有改二極管的時候，輸入電壓瞬間電壓能達到10v以上，極易燒毀后面信號調(diào)理電路。加入鉗位二極管后可以將前端輸入信號鉗位在安全的電壓范圍之內(nèi)。

所述冰雹傳感器的信號處理電路連接為：所述冰雹傳感器的信號處理電路連接為：信號由前置電路走向兩路，一路直接進入節(jié)點(net1)，另外一路經(jīng)電阻(r12)接入第一級放大，接入的信號由運算放大器運放正極進入，經(jīng)電阻(r2)，(r3)組成的運算放大電路被放大后，由電容(c27)隔直耦合進節(jié)點(net2)，節(jié)點(net2)用于判別強降水干擾信號，同時，經(jīng)過一級放大后的信號經(jīng)由運算放大器運放和電阻(r9)、(r10)、(r23)、(r17)、電容(c14)、(c18)、(c19)、(c24)組成的帶增益二階有源濾波電路后，經(jīng)電容(c17)耦合進由運算放大器運放組成的跟隨器電路后進入節(jié)點(net3)，用以分析小雨干擾信號。信號處理電路，信號調(diào)理部分在第一級的基礎(chǔ)上又增加了兩級，相比原來一級調(diào)理電路可以有效提高冰雹的采集精確度，同時可以減少雨的干擾。調(diào)理部分運放選用opa2347芯片，該芯片是小封裝微功耗軌到軌的運算放大器。小封裝可以減小電路板的面積，20ua的靜態(tài)工作電流可以降低整個系統(tǒng)的功耗。在降低功耗的同時在達到350khz帶寬的情況下具有極高的速度/功率比。

輸入信號經(jīng)過調(diào)理之后經(jīng)比較器進入主芯片采集。比較器采用美信公司的max9120納安級低功耗比較器，該芯片具有極小的封裝，極低的功耗，超擺幅的比較器。max9120每路電源電流為350na。工作電流可低至1.6v。

所述冰雹傳感器的超擺幅比較器電路連接為：所述冰雹傳感器的超擺幅比較器電路連接為：由前置電路處理后的信號進入節(jié)點(net1)，經(jīng)由電阻(r69)，(r28)，(r29)組成的分壓電路接入超擺幅比較器，比較器由3.3v電壓供電，接入引腳五，腳二接地，腳三為比較器的正極，正極參考電壓由電阻(r25)，(r26)，(r27)，3.3v電源組成的分壓電路提供，比較器輸出腳一經(jīng)低通濾波器、電阻(r64)，電容(c25)，電阻r24接入cpu和ad轉(zhuǎn)換引腳(cpu_io1)。

所述冰雹傳感器的接口電路連接為：所述冰雹傳感器的接口電路連接為：通訊信號一由芯片、腳十二接入，信號二由腳十、九接入，經(jīng)通訊芯片調(diào)理，信號一由腳十四、十三輸出，信號二由腳七、八輸出，輸出信號經(jīng)電阻(r74～r77)后，由二極管(d7)，(d8)分別接地，接地后輸出信號經(jīng)由小電容(c68)，(c69)，(c73)，(c74)進行濾波，濾波后信號由接口(p1)，(p4)引出。接口電路，接口部分選用美信公司的max3232芯片。該芯片是低壓高速rs-232收發(fā)器。該芯片可以3.0v-5.5v供電，電流低至10na，速度高達1mhz，提供±15kv的esd保護。對外的通信接口上，本設(shè)計增加了一些額外的設(shè)計來抑制電磁干擾。接口處的三端電容濾波器是第一級emi濾波，可以有效降低本機對外的電磁干擾同時阻止外界電磁干擾進入系統(tǒng)內(nèi)部。第二級電容可以濾除大部分低頻的噪聲干擾。nup2105是第三級保護，該tvs管提供雙向30kv(iec61000-4-2規(guī)范)350w的瞬態(tài)保護。第四級電阻可以消耗部分窄電壓脈沖的能量，提供芯片的抗干擾能力，同時還可以匹配阻抗，提高信號通信質(zhì)量。

在實驗室條件下模擬冰雹下落以及雨滴下落的情況，對產(chǎn)品性能進行檢測，驗證產(chǎn)品能夠檢測出冰雹的信號，同時能夠區(qū)分冰雹和雨滴信號。實驗采用冰球撞擊來模擬冰雹下落，冰球直徑為10mm，由模具凍成，采用加壓噴水的方式模擬強降水。

圖6-8顯示了采用制備的冰球沖擊的原始信號和經(jīng)電路調(diào)制后的信號處理結(jié)果。圖6顯示為原始信號，圖7為經(jīng)過電路調(diào)制整形后的模擬信號，圖8為信號連續(xù)沖擊的原始信號以及調(diào)制結(jié)果，模擬測試結(jié)果如表1所示。

表1數(shù)量檢測結(jié)果

從表1的實測結(jié)果可以看出，設(shè)備能夠區(qū)分固態(tài)冰雹沖擊，并可以統(tǒng)計出冰雹的數(shù)量。

此外，本發(fā)明的外部形狀參考冰雹圓潤的特點，外部形態(tài)采用規(guī)矩簡潔的圓形狀態(tài)，整體飽滿又有流動感，特別貼合冰雹給人的視覺感受(堅硬、冰冷、簡單、透亮、靈動)。

在材料選擇上，上部冰雹接觸面采用堅硬的金屬材質(zhì)，頂部形態(tài)弧形設(shè)計，保護整個產(chǎn)品不受冰雹沖擊力損壞的同時又不存在積存問題。底部采用塑料材質(zhì)，方便加工組裝，節(jié)約成本的同時，又可以在材質(zhì)上凸顯產(chǎn)品差異性。

配色上頂部金屬銀色體現(xiàn)堅實、硬朗的科技感，底部白色易于融合周邊環(huán)境，貼合氣象產(chǎn)品的風格趨勢，表達對環(huán)境干凈、純潔、環(huán)保的期許愿望。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：1.采用多級放大濾波的前端模擬信號處理方法，可以避免大顆粒降水的干擾，準確測得冰雹的發(fā)生。2.采用超擺幅比較器，測量的冰雹信號是一個冰雹撞擊鑼片時產(chǎn)生的電信號的包絡(luò)線，該包絡(luò)線包含了冰雹的獨特特征，利于計算冰雹數(shù)量。3.進行emc電磁兼容設(shè)計，有效降低野外環(huán)境下各種頻率信號的干擾。

附圖說明

圖1為所述冰雹傳感器爆炸圖；

圖2為前端電路圖；

圖3為信號處理電路圖；

圖4為超擺幅比較器電路圖；

圖5為接口電路圖；

圖6顯示為原始信號；

圖7為經(jīng)過電路調(diào)制整形后的模擬信號；

圖8為信號連續(xù)沖擊的原始信號以及調(diào)制結(jié)果；

附圖標記說明

1傳感器感應鑼片；2鑼片固定支架；3壓電陶瓷傳感器；4密封圈；5測量電路；6傳感器基座連接件a；7傳感器基座連接件b；8基座；9程序燒寫航空插頭；10主通訊航空插頭；11頂絲；12固定孔膠墊；13支柱。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和本發(fā)明的優(yōu)選實施例進一步說明本發(fā)明。

實施例1

如圖1，一種冰雹傳感器，包括傳感器感應鑼片1、鑼片固定支架2、壓電陶瓷傳感器3、密封圈4、測量電路5、傳感器基座連接件一6、傳感器基座連接件二7、基座8、程序燒寫航空插頭9、主通訊航空插頭10、頂絲11、固定孔膠墊12和支柱13；所述傳感器感應鑼片1與鑼片固定支架2組裝連接形成組件一，壓電陶瓷傳感器3與組件一組裝連接形成組件二，傳感器基座連接件一6和傳感器基座連接件二7組裝連接形成組件三，所述基座8與組件三組裝連接形成組件四，組件四與程序燒寫航空插頭9、主通訊航空插頭10組裝連接形成組件五，組件五與測量電路5組裝連接形成組件六，組件六安裝密封圈4形成組件七，組件二與組件七連接形成組件八，組件八通過頂絲11固定，并墊上固定孔膠墊12，再連接支柱13形成冰雹傳感器。

所述冰雹傳感器的測量電路包括前端電路、信號處理電路、超擺幅比較器電路和接口電路。

如圖2，所述冰雹傳感器的前端電路連接為：所述冰雹傳感器的前端電路連接為：壓電陶瓷信號輸入端口p5，信號接入后與電阻r11和r15和電容c20連接，構(gòu)成第一級濾波，濾波后信號由電容c16進行隔直，通過交流信號，通過的交流信號由二極管d1連接到3.3v供電電源。前端電路，傳感器前端除了一級濾波外還增加了一個鉗位二極管，在沒有改二極管的時候，輸入電壓瞬間電壓能達到10v以上，極易燒毀后面信號調(diào)理電路。加入鉗位二極管后可以將前端輸入信號鉗位在安全的電壓范圍之內(nèi)。

如圖3，所述冰雹傳感器的信號處理電路連接為：所述冰雹傳感器的信號處理電路連接為：信號由前置電路走向兩路，一路直接進入節(jié)點net1，另外一路經(jīng)電阻r12接入第一級放大，接入的信號由運算放大器運放正極進入，經(jīng)電阻r2，r3組成的運算放大電路被放大后，由電容c27隔直耦合進節(jié)點net2，節(jié)點net2用于判別強降水干擾信號，同時，經(jīng)過一級放大后的信號經(jīng)由運算放大器運放和電阻r9、r10、r23、r17、電容c14、c18、c19、c24組成的帶增益二階有源濾波電路后，經(jīng)電容c17耦合進由運算放大器運放組成的跟隨器電路后進入節(jié)點net3，用以分析小雨干擾信號。信號處理電路，信號調(diào)理部分在第一級的基礎(chǔ)上又增加了兩級，相比原來一級調(diào)理電路可以有效提高冰雹的采集精確度，同時可以減少雨的干擾。調(diào)理部分運放選用opa2347芯片，該芯片是小封裝微功耗軌到軌的運算放大器。小封裝可以減小電路板的面積，20ua的靜態(tài)工作電流可以降低整個系統(tǒng)的功耗。在降低功耗的同時在達到350khz帶寬的情況下具有極高的速度/功率比。

輸入信號經(jīng)過調(diào)理之后經(jīng)比較器進入主芯片采集。比較器采用美信公司的max9120納安級低功耗比較器，該芯片具有極小的封裝，極低的功耗，超擺幅的比較器。max9120每路電源電流為350na。工作電流可低至1.6v。

如圖4，所述冰雹傳感器的超擺幅比較器電路連接為：所述冰雹傳感器的超擺幅比較器電路連接為：由前置電路處理后的信號進入節(jié)點net1，經(jīng)由電阻r69，r28，r29組成的分壓電路接入超擺幅比較器，比較器由3.3v電壓供電，接入引腳五，腳二接地，腳三為比較器的正極，正極參考電壓由電阻r25，r26，r27，3.3v電源組成的分壓電路提供，比較器輸出腳一經(jīng)低通濾波器、電阻r64，電容c25，電阻r24接入cpu和ad轉(zhuǎn)換引腳cpu_io1。

如圖5，所述冰雹傳感器的接口電路連接為：所述冰雹傳感器的接口電路連接為：通訊信號一由芯片、腳十二接入，信號二由腳十、九接入，經(jīng)通訊芯片調(diào)理，信號一由腳十四、十三輸出，信號二由腳七、八輸出，輸出信號經(jīng)電阻r74～r77后，由二極管d7，d8分別接地，接地后輸出信號經(jīng)由小電容c68，c69，c73，c74進行濾波，濾波后信號由接口p1，p4引出。

接口電路，接口部分選用美信公司的max3232芯片。該芯片是低壓高速rs-232收發(fā)器。該芯片可以3.0v-5.5v供電，電流低至10na，速度高達1mhz，提供±15kv的esd保護。對外的通信接口上，本設(shè)計增加了一些額外的設(shè)計來抑制電磁干擾。接口處的三端電容濾波器是第一級emi濾波，可以有效降低本機對外的電磁干擾同時阻止外界電磁干擾進入系統(tǒng)內(nèi)部。第二級電容可以濾除大部分低頻的噪聲干擾。nup2105是第三級保護，該tvs管提供雙向30kv(iec61000-4-2規(guī)范)350w的瞬態(tài)保護。第四級電阻可以消耗部分窄電壓脈沖的能量，提供芯片的抗干擾能力，同時還可以匹配阻抗，提高信號通信質(zhì)量。

在實驗室條件下模擬冰雹下落以及雨滴下落的情況，對產(chǎn)品性能進行檢測，驗證產(chǎn)品能夠檢測出冰雹的信號，同時能夠區(qū)分冰雹和雨滴信號。實驗采用冰球撞擊來模擬冰雹下落，冰球直徑為10mm，由模具凍成，采用加壓噴水的方式模擬強降水。

圖6-8顯示了采用制備的冰球沖擊的原始信號和經(jīng)電路調(diào)制后的信號處理結(jié)果。圖6顯示為原始信號，圖7為經(jīng)過電路調(diào)制整形后的模擬信號，圖8為信號連續(xù)沖擊的原始信號以及調(diào)制結(jié)果，模擬測試結(jié)果如表1所示。

表1數(shù)量檢測結(jié)果

從表1的實測結(jié)果可以看出，設(shè)備能夠區(qū)分固態(tài)冰雹沖擊，并可以統(tǒng)計出冰雹的數(shù)量。

此外，本發(fā)明的外部形狀參考冰雹圓潤的特點，外部形態(tài)采用規(guī)矩簡潔的圓形狀態(tài)，整體飽滿又有流動感，特別貼合冰雹給人的視覺感受(堅硬、冰冷、簡單、透亮、靈動)。

在材料選擇上，上部冰雹接觸面采用堅硬的金屬材質(zhì)，頂部形態(tài)弧形設(shè)計，保護整個產(chǎn)品不受冰雹沖擊力損壞的同時又不存在積存問題。底部采用塑料材質(zhì)，方便加工組裝，節(jié)約成本的同時，又可以在材質(zhì)上凸顯產(chǎn)品差異性。

配色上頂部金屬銀色體現(xiàn)堅實、硬朗的科技感，底部白色易于融合周邊環(huán)境，貼合氣象產(chǎn)品的風格趨勢，表達對環(huán)境干凈、純潔、環(huán)保的期許愿望。

本發(fā)明采用多級放大濾波的前端模擬信號處理方法，可以避免大顆粒降水的干擾，準確測得冰雹的發(fā)生。采用超擺幅比較器，測量的冰雹信號是一個冰雹撞擊鑼片時產(chǎn)生的電信號的包絡(luò)線，該包絡(luò)線包含了冰雹的獨特特征，利于計算冰雹數(shù)量。進行emc電磁兼容設(shè)計，有效降低野外環(huán)境下各種頻率信號的干擾。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳實施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實施的范圍，即依本發(fā)明專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。