一种二维阵列式红外雨量计的制作方法

本实用新型涉及气象观测设备技术领域，具体说是一种二维阵列式红外雨量计。

背景技术：

传统雨量计从原理上进行分类可以分为以下几种：虹吸式雨量计、翻斗式雨量计、称重式雨量计等。但是无一例外都存在以下几个缺点：1.需要人工的定期清理和维护，否则集水通道会被杂物堵塞；2.降雨量太小时无法进行测量，灵敏度低；3.强降雨时又会产生明显误差；4.机械部分长期暴露在野外会被腐蚀；5.体积太大，只能静态测量。目前市场上已有的红外雨量探测器大多被用于非气象领域(如汽车自动雨量传感器)，有如下缺点：测量范围小、误差大、随机性高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种精度高、灵敏度强、体积小、耐腐蚀性强、无需人工定期清理的二维阵列式红外雨量计。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种二维阵列式红外雨量计，包括红外发射器、晶振模块、准直透镜、聚焦透镜、红外接收器、电流电压转换模块、电压放大器、采样模块和微控制器模块，所述红外发射器和红外接收器成对相向设置，围成一方形区域，所述准直透镜与聚焦透镜分别设于所述红外发射器和红外接收器之前，所述红外接收器、电流电压转换模块、电压放大电路和采样模块、微控制器模块、晶振模块和红外发射器依次连接，所述微控制器模块驱动所述晶振模块产生38kHZ的电信号，进而将发射端的红外光调制成38kHZ的载波光信号透过所述准直透镜发射出去，经所述聚焦透镜被所述红外接收器接收，光信号经光电二极管转化为电流信号，电流信号经电流电压转换模块转化为电压信号，经放大器大后由所述采样模块进行AD采样输入到微控制器模块中计算处理，得到雨量大小。

本实用新型进一步的设计方案中，上述红外发射器产生的载波光信号为一排25条平行光线，没条光线为直径为4mm圆柱平行光。

本实用新型进一步的设计方案中，上述准直透镜与聚焦透镜的曲率半径为1.49mm。

本实用新型进一步的设计方案中，上述红外发射器和红外接收器围成的方形区域的边长为10cm。

本实用新型进一步的设计方案中，上述红外发射器产生的红外光的波长范围为810nm-978nm,中心波长906nm。

本实用新型具有以下突出的有益效果：

本实用新型的二维阵列式红外雨量计精度高、灵敏度强、体积小、耐腐蚀性强、无需人工定期清理。由于本实用新型没有传统雨量计的量筒等类似称量的结构，因此本实用新型能够克服传统雨量计的量筒日积月累会有灰尘、落叶等杂物堵塞量具的缺点,无需人工清理灰尘，减少人力。

附图说明

图1是实施例中二维阵列式红外雨量计单根光柱测量原理图；

图2为实施例中无降雨红外接收端电压记录图；

图3为实施例中有降雨红外接收端电压记录图；

图4为实施例中红外雨量计采样区域示意图；

图5为实施例中红外雨量计连接示意图；

图中，1-红外发射器，2-晶振模块，3-准直透镜，4-聚焦透镜，5-红外接收器，6-电流电压转换模块，7-电压放大器，8-采样模块，9-微控制器模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明:

参见图5，本实用新型中的二维阵列式红外雨量计，包括红外发射器1、晶振模块2、准直透镜3、聚焦透镜4、红外接收器5、电流电压转换模块6、电压放大器7、采样模块8和微控制器模块9，红外发射器1和红外接收器5成对相向设置，围成一方形区域，红外发射器1和红外接收器5围成的方形区域的边长为10cm。红外发射器1产生的载波光信号为一排25条平行光线，没条光线为直径为4mm圆柱平行光。准直透镜3与聚焦透镜4的曲率半径为1.49mm。

准直透镜3与聚焦透镜4分别设于红外发射器1和红外接收器5之前，红外接收器5、电流电压转换模块6、电压放大电路和采样模块8、微控制器模块9、晶振模块2和红外发射器1依次连接，微控制器模块9驱动晶振模块2产生38kHZ的电信号，进而将发射端的红外光调制成38kHZ的载波光信号透过准直透镜3发射出去，经聚焦透镜4被红外接收器5接收，载波光信号经光电二极管转化为电流信号，再经电流电压转换模块6转化为电压信号，经放大器放大后由采样模块8进行AD采样输入到微控制器模块9中计算处理，得到雨量大小。红外发射器1产生的红外光的波长范围为810nm-978nm,中心波长906nm。

在重力作用下，水滴下落速度不断增加，于此同时空气阻力也随之增加，重力和阻力很快达到平衡，使水滴匀速下降，此时的下降速度称为水滴的末速度，且满足下面的关系：

v(D)＝c1-c2e^-6D……..(1)

式中c1＝9.65，c2＝10.3，0.6mm≤D≤5.8mm。自然界中水滴自发破碎经常发生在3～3.5mm，所以直径大于5.8mm的雨滴很少见。根据上式可以求出雨滴直径与末速度之间的关系：

表1雨滴在空气中受到的阻力与速度的关系：

参见图1，红外二极管经准直透镜3变成柱形光束，在没有降水的情况下，光束将会畅通无阻的传输到接收端，从而形成一个电压峰值Vmax，其为固定值，如图2所示。如果有降水，由于降水粒子在通过光束的采样空间时，必将遮挡一部分激光光束，将其能量散射、吸收，从而造成接收端能量的减少，表现为在接收端电压减少，表现为在接收端电压减少了△V，电压波形会形成一个波谷，检测到的电压减小值△V同降水粒子的直径D有关，粒子直径越大，其遮蔽的激光能量越大，△V的值也就越大，测量出△V的值即可计算出降水粒子的直径D；而波谷的持续时间△t即为降水粒子遮蔽光束的时间，这个时间可以测得，如图3所示，且满足如下表达式：

式中D光为光柱直径，D水为雨滴直径，v水为雨滴下落末速度。通过此式可以计算出雨滴直径。

进而求出雨滴体积：

图4中的二维阵列是红外雨量计的采样范围，设采样周期T时间段内，计数得到的低脉冲个数为N，则面试为S的采集器所经过的雨滴总体积为：

则采样周期T时间段内的降雨量为：

微控制器模块9驱动晶振模块2产生38kHz的信号，中心波长为906nm的红外光被调制成38kHz的载波光信号，经过准直透镜3转化为光柱发射出去，光柱的另一端被聚焦透镜4聚焦后经光电二极管转化为电信号。当有雨滴经过光线的所在路径时，光线在雨滴表面发生散射和折射，影响接收到的电信号的大小。横纵各排列25根直径4mm的平行光柱，交叉形成边长10cm的方形区域，用于监测经过该区域的雨量大小。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。