能见度定标仪、标校系统及基于其对产品机的标校方法
【专利摘要】本发明涉及能见度测量领域。本发明所要解决的技术问题是提供能够被第三方检测并认可的能见度定标仪、标校系统及基于其对产品机的标校方法。本发明所采用的技术方案是：能见度定标仪，包括发射机和接收机，发射机包括光源模块、第一数据显示操作屏及第一信号处理模块，光源模块与第一信号处理模块相连，第一信号处理模块又与第一数据显示操作屏相连，光源模块发射的光束为准直光，接收机包括接收透镜、光电探测器、第二数据显示操作屏及第二信号处理模块，接收透镜和光电探测器依光路顺序布置，发射机发射的光束全部落入接收透镜内，光电探测器与第二信号处理模块相连，第二信号处理模块与第二数据显示操作屏相连；适用于为能见度仪定标。
【专利说明】能见度定标仪、标校系统及基于其对产品机的标校方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能见度测量领域，尤其是涉及一种能见度定标仪、标校系统及基于其对产品机的标校方法。
【背景技术】
[0002]能见度仪是通过测量有限距离水平空气柱的消光系数而获得大气能见度值的仪器。而透射式能见度仪是最符合国际气象组织对能见度定义的一种器测能见度仪，其原理是通过采样一定长度L的水平空气柱，测量其消光系数σ来获得大气的气象光学距离M0R。气象光学距离即能见度MOR的定义是由白炽灯发出的色温2700Κ的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度，是一个与主观因素无关的物理量。
[0003]σ = -1nT/L
[0004]MOR = In0.05/ σ = L*ln0.05/lnT
[0005]σ:大气消光系数；L为透射仪的测量基线长度；T为透射因子或衰减率或透射率是初始光通量Bc^与经过给定长度L的空气柱衰减后后剩余的光通量的比值T = B0L/B0,实际测量中是通过光电二极管转化为输出电压之比，真空状态下时T = I。
[0006]如图1所示，传统的透射式能见度仪测量光路是有一定发散角的光路，即其发射机I出射的光线为非准直光，具有一定发散角。发射机I与接收机2对准，且间距为基线长L，L 一般为20?60米。然而，发射机I出射的光线并不能完全被接收机2的接收透镜21捕捉到，其准确性很难通过第三方得到确认。而目前并不存在一种能够有效通过第三方确认的且数据可靠性强的透射式能见度仪作为定标基准的定标仪及标校系统。
[0007]由于光学测量系统在多环节存在系统误差，且能见度仪的光机装配调试误差会造成仪器光路的变化，同时电子元器件及工艺的差异会造成能见度仪的系统偏差，必须对能见度仪进行准确的标定和校准，其中首次定标叫做标定，后期定标一般叫做校准。传统的对透射式能见度仪的标校方式有以下几种方法:
[0008]1.工作母机传递法。此方法的代表厂家为洛阳凯迈测控有限公司，方法具体过程为:1)校准能见度定标仪。通过训练后的能见度观测员提供较为准确的能见度数据，标校一台性能相对稳定的能见度仪作为能见度定标仪，俗称工作母机；2)对能见度仪的产品机定标。依据工作母机提供的实时能见度数据对需要标校的能见度仪进行实时标校，即完成对能见度仪产品机的标校。
[0009]显然，工作母机，即能见度定标仪的性能是关键因素，其测量准确性直接决定了对产品机是否符合要求的判断。然而此方法的不足在于:1)工作母机自身的精度难以保证，工作母机的精度依赖观测员获得数据对工作母机进行标校，而人对目标物的“能见”与“不能见”界限不明晰，加上视觉的对比视感阈值和照度阈值随照明条件和心理影响变化较大，因此能见度的人工目测来校准工作母机必然存在较大的误差；2)由于校准过程存在较大的人为因素，所以工作母机的准确性很难通过第三方得到确认，难以形成标准；3)工作母机的长期以及在各种气候环境下是否出现数据的漂移无法有效保证，校准过程受到天气、气候及场地环境因素的限制较大；4)笨重的工作母机很难完成对能见度仪的产品机的现场校准工作。
[0010]2.标准器标校法。散射式能见度仪的标定常采用标准反射屏的方式进行产品标校，校准装置包括:校准板、堵光板和安装架，标校检查一般是在高能见度端(零散射信号)和低能见度(高散射信号)两极限点抽样检查。堵光板用不透光的橡胶或金属材料制成，可堵塞发射器端头，故无散射信号射入接收器，以模拟零散射信号，用于高能见度测量情况的检查。校准板是用部分透明的玻璃或不透明的塑料材料制成，模拟高散射信号，用于低能见度测量信号的检查。其散射率可等同能见度值。安装架用于标准板的连接安装，校准板是标校的关键。
[0011]该方法的不足在于:1)基于散射仪制作的散射标准器和散射仪一样是间接获得能见度数据，存在转换误差，且和空气的散射不一致，空气中的部分气溶胶粒子对测量光束是吸收而不能散射。2)不同反光率的标准反光板等同散射率及能见度数据也缺乏说服力，很难获第三方的认可和监控。
[0012]3.自我标校法。此方案的代表厂家为芬兰的维萨拉公司。维萨拉的透射式能见度仪是目前我国国内主要的能见度仪进口机型，为降低设计制作难度，保证测量精度，其集成了透射仪和散射仪，采用双模式工作模式，在低能见度时(0-3000米)用透射模式输出能见度数据，在高能见度时(3000米以上)用散射模式输出能见度数据。标校时，用透射仪有很好精度区间的低能见度数据为散射仪标校，用散射仪有较好精度区间的高能见度数据为透射仪标校。
[0013]该方法的不足在于:虽然透射仪的低能见度测量精度能力很强，散射仪的高能见度测量精度能力较强，但自身在基准不存在状态下，相互保障标校必然存在问题。2)散射仪是低端的能见度仪，具有和空气的散射不一致，空气中的部分气溶胶粒子对测量光束是吸收而不能散射的缺点，无法为高端的透射仪进行精确标校。
[0014]综上所述，传统的对能见度仪的标校方法，精度较低、无法直接体现并符合能见度定义，且无法提供被第三方检测或认可的能见度基准及数据为能见度仪进行标校。
【发明内容】
[0015]本发明所要解决的技术问题是提供一种能够被第三方检测并认可的能见度定标仪、标校系统及基于其对产品机的标校方法，能够有效解决能见度仪的生产和使用现场标校的技术难题，其能见度基准及数据符合能见度定义。
[0016]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:能见度定标仪，包括发射机和接收机，所述发射机包括光源模块、第一数据显示操作屏及第一信号处理模块，光源模块与第一信号处理模块相连，第一信号处理模块又与第一数据显示操作屏相连，光源模块发射的光束为准直光，接收机包括接收透镜、光电探测器、第二数据显示操作屏及第二信号处理模块，接收透镜和光电探测器依光路顺序布置，所述发射机发射的光束全部落入接收透镜内，光电探测器与第二信号处理模块相连，第二信号处理模块又与第二数据显示操作屏相连。
[0017]具体的，所述接收透镜的口径至少达到准直光直径的两倍。
[0018]进一步的，所述光源模块包括LED光源及准直透组，所述LED光源与准直透镜组依光路顺序布置。
[0019]本发明为解决其技术问题所采用的另一技术方案是:能见度标校系统，包括上述能见度定标仪及光学衰减片，发射机、光学衰减片和接收机按光路顺序布置。
[0020]本发明为解决其技术问题所采用的又一技术方案是:基于能见度标校系统对产品机的标校方法，包括以下步骤，
[0021]A.将能见度标校系统的发射机和接收机按光路顺序紧密排列布置，使二者贴近并对准，启动能见度标校系统；
[0022]B.在发射机和接收机间插入光学衰减片；
[0023]C.通过观察第一数据显示操作屏及第二数据显示操作屏显示的数据，并通过操作第一数据显示操作屏及第二数据显示操作屏，修正内部的计算参数，使得能见度定标仪的能见度值与光学衰减片衰减率换算得到的能见度值的偏差量均符合误差要求，完成能见度定标仪的校准；
[0024]D.取出光学衰减片；
[0025]E.在同一现场，能见度标校系统的发射机对准其接收机并保持其间距为第一基线长，产品机的发射机对准其接收机并保持其间距为第二基线长，启动产品机；
[0026]F.比对能见度标校系统的能见度定标仪和产品机同时测得的能见度值，修正产品机的内部参数，使得产品机的能见度值与能见度定标仪的能见度值差异符合误差要求，完成对产品机的现场标校。
[0027]具体的，重复步骤B至步骤C，且每次进行步骤B时使用具有不同光衰减率的光学衰减片。
[0028]优选的，所述衰减片至少为三片。
[0029]具体的，所述步骤A至步骤C在洁净的室内环境下进行。
[0030]具体的，所述步骤E至步骤F在生产场地或安装现场进行。
[0031]进一步的，所述步骤C中的符合误差要求为< 5%。
[0032]进一步的，所述步骤F的符合误差要求为< 7%。
[0033]本发明的有益效果是:能见度定标仪及标校系统体积小、重量轻、易于操作，测量精度高，数据标定准确，为能见度产品机提供可靠且稳定的标定基准，使产品机的性能一致性好，基于能见度标校系统对产品机的标校方法受环境和人为因素影响小，数据客观，能够提供最符合国际气象组织对能见度定义且能够提供被第三方检测并认可的能见度基准及数据，可为散射式或透射式能见度仪进行有效标校工作。本发明适用于为能见度仪进行定标。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是传统透射式能见度仪的光路示意图；
[0035]图2是本发明能见度定标仪的光路示意图；
[0036]图3是本发明能见度标校系统的结构示意图；
[0037]图4是本发明实施例使用时的结构示意图；
[0038]其中，L为基线长，I为发射机，11为光源模块，12为第一数据显示操作屏，13为第一信号处理模块，2为接收机，21为接收透镜，22为光电探测器，23为第二数据显示操作屏，24为第二信号处理模块，3为光学衰减片，4为立柱。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0040]如图2所示，本发明的能见度定标仪，包括发射机I和接收机2，所述发射机I包括光源模块11、第一数据显不操作屏12及第一信号处理模块13,光源模块11与第一信号处理模块13相连,第一信号处理模块13又与第一数据显不操作屏12相连,光源模块发射的光束为准直光，接收机2包括接收透镜21、光电探测器22、第二数据显示操作屏23及第二信号处理模块24，接收透镜21和光电探测器22依光路顺序布置，所述发射机I发射的光束全部落入接收透镜21内，光电探测器22与第二信号处理模块24相连，第二信号处理模块24又与第二数据显示操作屏23相连。
[0041]其技术原理是测量一定基线L长度的水平空气柱的消光系数，和传统的透射式能见度仪比较，本发明的能见度定标仪使用的是高水平的无发散角的准直光路。发射机发出的探测光，除在采样基线路径中有气溶胶粒子导致的自然衰减外，测量光束被接收机全部接收。
[0042]准直光可以用LED白光和准直透镜组实现。由于能见度仪产品机的使用时间较长，随着路面沉积或其他自然过程会使得产品机的发射机发出的光束产生漂移，若产品机使用准直光，其光束发生漂移后，其接收机就无法接收到光线。因此，能见度仪产品机只能使用大光斑的发散光。而能见度定标仪单次使用时间较短，且使用准直光有助于使得其接收机在近端和远端所接收的光通量都一样，因此本发明在能见度定标仪中使用准直光。
[0043]发射机I发射的光束全部落入接收透镜21内即表明接收透镜21的接收面积的有效面积大于发射机I发出的光束通过一定距离传输后在接收透镜21处形成光斑的面积。优选的，所述接收透镜21的口径至少达到准直光直径的两倍，以保证接收透镜21可以全部捕获出射光束，通过接收透镜的汇聚功能，将光束汇聚到探测器的感光面上，以电压的形式输出，再经过第二信号处理模块24对数据进行处理，依据公式MOR = In0.05/ σ = L*ln0.05/InT获得准确的能见度数据，然后通过第二数据显示操作屏23输出数据。若需要对参数等进行调整，也可以通过第一数据显示操作屏12及第二数据显示操作屏23进行操作，相应操作通过第一信号处理模块13及第二信号处理模块24进行数据处理后对光源模块11或光电探测器22等进行相应改变。
[0044]如图3所示，本发明的能见度标校系统，包括能见度定标仪及光学衰减片3，发射机1、光学衰减片3和接收机2按光路顺序布置。
[0045]由于能见度定标仪使用的是准直光束，其发射机I和接收机2对准贴近后，接收机2接收的光束和二者相距基线长L时测量的光束是一致的，也是全接收。这样，发射机I和接收机2对准贴近后，在其间插入光学衰减片就可等效于一定采样基线长的空气消光系数，这也是采用准直光为测量光的最终目的。不同透过率的光学衰减片可以代表不同的σ值或MOR值即不同衰减率的衰减片可代表一定测量基线下的测量能见度值，可以得到不同的MOR值。
[0046]由于在对能见度仪产品机的标校，包含生产和使用过程中标校，首先需要有原始基准，理想的，原始基准是计量基准件，其性能可由权威部门认可，原始基准等效消光系数，在原始校准时可核定，经原始基准校准的一级基准可在在生产和使用现场中应用于能见度仪产品机的标校。本发明中就使用能够定量且性能可由权威部门认可的光学衰减片作为原始基准有效提高本发明的精确度、准确性及被第三方认可性。而一级基准是专用于能见度仪标校的特殊的、基于透射原理的能见度仪，即本发明的能见度定标仪。由被光学衰减片标校好的能见度定标仪对能见度仪产品机进行能够保证标校的精度与准确度。
[0047]本系统有两种工作状态:
[0048]状态1:接收机和发射机贴近并对准，两机间插入光学衰减片可校准定标仪，实现了原始基准向一级基准的准确传递。
[0049]状态2:接收机和发射机拉远至基线长L距离且对准，测量准确的能见度数据，提供为能见度仪产品机进行标校的基准数据，实现了一级基准向能见度产品机的准确传递。
[0050]此外，发射机I和接收机2下部可以设置立柱，以使得操作人员正常站立时可以对发射机I和接收机2进行操作或观察，提高使用便利性。而发射机I和接收机2需要对准放置，操作人员可以手动对准，依靠操作人员经验及目测进行调整，然而此方法精度低且误差大，可以使用对准装置进行仪器及光束进行对准设置。
[0051]本发明的基于能见度标校系统对产品机的标校方法，包括以下步骤，
[0052]A.将能见度标校系统的发射机I和接收机2按光路顺序紧密排列布置，使二者贴近并对准，启动能见度标校系统；
[0053]所述紧密排列布置并不是完全贴合，由于一般机械仪器设计中对发射机I和接收机2设计有窗口，所述窗口贴合时，光源模组11与接收透镜21并不会完全贴合，而是中间存在窄小缝隙空间，以便于将光学衰减片插入其中。
[0054]而能见度标校系统可以在此时启动，以观察光束是否全部落入接收机2中，也可以在下一步骤中启动。
[0055]B.在发射机I和接收机2间插入光学衰减片3 ；
[0056]C.通过观察第一数据显示操作屏及第二数据显示操作屏显示的数据，并通过操作第一数据显示操作屏及第二数据显示操作屏，修正内部的计算参数，使得能见度定标仪的能见度值与光学衰减片3衰减率换算得到的能见度值的偏差量均符合误差要求，完成能见度定标仪的校准；
[0057]D.取出光学衰减片3 ；
[0058]E.在同一现场，能见度标校系统的发射机I对准其接收机2并保持其间距为第一基线长，产品机的发射机对准其接收机并保持其间距为第二基线长，启动产品机；
[0059]此处的同一现场为生产场地或安装现场进行，优选是在较高能见度的环境下进行。
[0060]由公式MOR= In0.05/σ = L*ln0.05/lnT可知，能见度MOR与测量基线长度成正t匕，因此第一基线长可以与第二基线长相等，也可以不等，此处可以设立二者相等，都为基线长L。为了保证二者间距为基线长L，可以事先将立柱固定好，保证发射机立柱与接收机立柱的间距为基线长L，而后直接将发射机和接收机分别固定在立柱上。
[0061]F.比对能见度标校系统的能见度定标仪和产品机同时测得的能见度值，修正产品机的内部参数，使得产品机的能见度值与能见度定标仪的能见度值差异符合误差要求，完成对产品机的现场标校。
[0062]此工作需要定期进行，以保证产品机的测量准确性。
[0063]为了提高校准精度，在本发明中可以重复步骤B至步骤C，且每次进行步骤B时使用具有不同光衰减率的光学衰减片3。
[0064]同理，所述步骤A至步骤C在洁净的室内环境下进行。
[0065]为了便于增强本方法的实用性与可操作性，所述步骤E至步骤F在生产场地或安装现场进行。
[0066]实施例
[0067]本例中，基于能见度标校系统对产品机的标校方法的操作步骤如下:
[0068]I)校准定标仪，即原始基准向一级基准传递:
[0069]在洁净室内，各项仪器的具体指标为:定标仪的发射机的准直光束为直径30毫米，光通量为BI = 12流明，接收透镜口径为80毫米，以保证能够全部接收准直光。光学衰减片3片，分别对应高中低三种能见度，其作为原始基准，是计量基准件，其性能由权威部门认可，原始基准等效消光系数或能见度数据。依据能见度计算公式MOR= In0.05/σ =L*ln0.05/lnT，可以得到表I的数据。
[0070]表I光学衰减片参数与能见度值对比表
[0071]
参数测量基线衰减片透过率能见度校准允许偏差
衰L (米)TMOR (米)
衰减片 I3099.1%100005%
衰减片 23098.2%50005%
衰减片 33063.8%2005%
[0072]此外，可以适当多用一些光学衰减片，有助于提高标校数据的准确率，特别是如果能见度仪自身水平不高，有可能高能见度时定标后较准确，但低能见度却不太符合。因此有必要通过多片相当于不同能见度值的光学衰减片，如定标时给出高\中\低三个准确的能见度值，以保证标校时候可以兼顾高中低能见度的数据，使得定标后的高中低三个范围内的能见度值，即使每一段都不是很理想，但可都在误差允许的范围内，以提高本发明的适用范围。
[0073]11)将发射机和接收机贴近对准并固定，开机并预热30分钟，等待各项数值稳定后进行后续操作；
[0074]12)在发射机和接收机间插入衰减片1，理想状态下，可在第二数据显示操作屏上读得10000米，而实际上有可能存在偏差，且偏差超过了校准允许偏差，因此需要通过操作第一数据显示操作屏及第二数据显示操作屏，以修正能见度定标仪内部的计算参数，使其符合母机的测量值；
[0075]13)取出衰减片1，插入衰减片2，理想状态下，可在第二数据显示操作屏上读得5000米,而实际上有可能存在偏差,且偏差超过了校准允许偏差，因此需要通过操作第一数据显示操作屏及第二数据显示操作屏，以修正能见度定标仪内部的计算参数，使其符合母机的测量值；
[0076]14)取出衰减片2，插入衰减片3，理想状态下，可在第二数据显示操作屏上读得200米,而实际上有可能存在偏差,且偏差超过了校准允许偏差，因此需要通过操作第一数据显示操作屏及第二数据显示操作屏，以修正能见度定标仪内部的计算参数，使其符合母机的测量值；
[0077]15)取出衰减片3，通过以上三步骤，完成了对定标仪机的校准，并兼顾了高中低能见度值，使能见度定标仪均能满足高中低三种能见度范围的要求。
[0078]2)对能见度仪产品机进行现场标校，实现一级基准向能见度仪产品机的传递:
[0079]在生产场地或安装现场，且较高能见度的环境下进行本步骤，其仪器还包括待标校的能见度产品机一套、两间距为基线长L的立柱。
[0080]21)将能见度定标仪的发射机I和其接收机2分别固定在两个立柱上，通过手动或利用对准装置将对准发射机I和接收机2 ；
[0081]22)将能见度仪产品机以工作状态安装在同一工作现场，开机后预热30分钟，以保证其各项参数稳定；
[0082]23)利用能见度定标仪及能见度仪产品机同时测量能见度值，比对二者测得的能见度值，若有差异，则修正产品机的内部参数，以使得产品机测得的能见度值与定标仪的能见度值差异符合误差要求，完成对产品机的现场标校。
[0083]可以修正产品机的多项内部参数，如修正产品机发射机的出光光通量及接收机的入光光通量。随着使用次数的增加及使用时间的增长，发射机的LED白光光源发射的光束入射到准直透镜组，必然会对其上所镀的膜系带来影响，如使得膜系厚度发生变化，而此必然会导致出光光通量的变化，而此也会引起接收透镜的入光光通量的变化。同理，接收透镜上所镀的膜系发生变化必然会导致入光光通量的变化。因此需要对产品机内部参数进行修正以维持其性能稳定。
[0084]具体操作中，若利用能见度定标仪及标校前的能见度仪产品机同时测量能见度值如表2所示。
[0085]表2能见度定标仪及标校前的能见度仪产品机测得能见度值对比表
[0086]
【权利要求】
1.能见度定标仪，包括发射机(I)和接收机(2)，其特征在于，所述发射机(I)包括光源模块(11)、第一数据显示操作屏(12)及第一信号处理模块(13)，光源模块(11)与第一信号处理模块(13)相连,第一信号处理模块(13)又与第一数据显不操作屏(12)相连,光源模块(11)发射的光束为准直光，接收机(2)包括接收透镜(21)、光电探测器(22)、第二数据显示操作屏(23)及第二信号处理模块(24)，接收透镜(21)和光电探测器(22)依光路顺序布置，所述发射机(I)发射的光束全部落入接收透镜(21)内，光电探测器(22)与第二信号处理模块(24)相连，第二信号处理模块(24)又与第二数据显示操作屏(23)相连。
2.如权利要求1所述的能见度定标仪，其特征在于，所述接收透镜(21)的口径至少达到准直光直径的两倍。
3.如权利要求1所述的能见度定标仪，其特征在于，所述光源模块(11)包括LED光源及准直透组，所述LED光源与准直透镜组依光路顺序布置。
4.能见度标校系统，其特征在于，包括权利要求1至3中任意一项所述的能见度定标仪及光学衰减片(3)，发射机(I)、光学衰减片(3)和接收机(2)按光路顺序布置。
5.基于权利要求4所述的能见度标校系统对产品机的标校方法，其特征在于，包括以下步骤， A.将能见度标校系统的发射机⑴和接收机(2)按光路顺序紧密排列布置，使二者贴近并对准，启动能见度标校系统； B.在发射机(I)和接收机(2)间插入光学衰减片(3)； C.通过观察第一数据显示操作屏及第二数据显示操作屏显示的数据，并通过操作第一数据显示操作屏及第二数据显示操作屏，修正内部的计算参数，使得能见度定标仪的能见度值与光学衰减片(3)衰减率换算得到的能见度值的偏差量均符合误差要求，完成能见度定标仪的校准； D.取出光学衰减片(3); E.在同一现场，能见度标校系统的发射机(I)对准其接收机(2)并保持其间距为第一基线长，产品机的发射机对准其接收机并保持其间距为第二基线长，启动产品机； F.比对能见度标校系统的能见度定标仪和产品机同时测得的能见度值，修正产品机的内部参数，使得产品机的能见度值与能见度定标仪的能见度值差异符合误差要求，完成对产品机的现场标校。
6.如权利要求5所述的基于能见度标校系统对产品机的标校方法，其特征在于，重复步骤B至步骤C，且每次进行步骤B时使用具有不同光衰减率的光学衰减片(3)。
7.如权利要求6所述的基于能见度标校系统对产品机的标校方法，其特征在于，所述衰减片至少为三片。
8.如权利要求5所述的基于能见度标校系统对产品机的标校方法，其特征在于，所述步骤A至步骤C在洁净的室内环境下进行。
9.如权利要求5所述的基于能见度标校系统对产品机的标校方法，其特征在于，所述步骤E至步骤F在生产场地或安装现场进行。
10.如权利要求5所述的基于能见度标校系统对产品机的标校方法，其特征在于，所述步骤C中的符合误差要求为< 5 %。
11.如权利要求5所述的基于能见度标校系统对产品机的标校方法，其特征在于，所述步骤F的符合误差要求为< 7%。
【文档编号】G01N21/59GK104198443SQ201410443016
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】甘志, 刘庆, 蔡琴 申请人:四川鼎林信息技术有限公司