本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及具有温度自补偿特性的双翻漏斗式光纤光栅雨量传感器。
背景技术：
光纤光栅传感因其本身所具有的特性，尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，复用性好等独特优点，已在航空航天、桥梁建筑、大型机电设备等多个工程领域得到广泛应用并发挥重要作用。
然而，目前光纤光栅传感器多用于实现如温度、应变、位移、压力等被测参量的测量，其在雨量测量方面的报道相对较少。
技术实现要素：
实用新型目的：本实用新型的目的在于提供具有温度自补偿特性的双翻漏斗式光纤光栅雨量传感器，有效的提高了传感器的使用寿命及其鲁棒性，实现高精度的具有自温度补偿的雨量测量。
技术方案：为实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：
具有温度自补偿特性的双翻漏斗式光纤光栅雨量传感器，包括雨量收集装置，在雨量收集装置下方设置双翻漏斗，双翻漏斗通过中心转轴与漏斗支架相连，在双翻漏斗两侧的下方对称设置等强度悬臂梁，在等强度悬臂梁的下表面分别设有第一敏感元件光纤光栅和第二敏感元件光纤光栅；所述的双翻漏斗转动时引起等强度悬臂梁自由端挠度发生变化，进而引起第一敏感元件光纤光栅和第二敏感元件光纤光栅中心波长发生漂移，反演分析中心波长漂移数据获得被测量雨量信息。
所述的雨量收集装置包括漏斗型积水段、平滑过渡段及底部增速段，其中漏斗型积水段为漏斗型的锥面，平滑过渡段为水平平面，底部增速段为位于平滑过渡段中部的垂直排水管路，被测量雨量通过漏斗型积水段、平滑过渡段及底部增速段实现被测量雨量的收集、过渡及垂直加速等操作后，加速后的被测量雨量作用于双翻漏斗。
所述的双翻漏斗为条形槽体结构，在该条形槽体结构的中部设置分水挡板，该条形槽体结构的两端为弧形结构，在被测量雨量作用下通过中心转轴及漏斗支架实现翻转；流经双翻漏斗的雨量由集水漏斗收集后排出传感器体外，未被集水漏斗收集的被测量雨量由排水孔排出。
所述的等强度悬臂梁为等腰三角形，其底边为固定端，底边所对应的三角形的尖端为自由端，其固定端通过通过悬臂梁固定装置与保护外壳连接，其自由端交错设置在双翻漏斗弧形结构的下方。
所述的第一敏感元件光纤光栅和第二敏感元件光纤光栅均分别通过光纤尾纤经光纤引出孔引出传感器。
在所述的每个等强度悬臂梁下方均设置集水漏斗，集水漏斗通过漏斗支架及漏斗支架固定元件与保护外壳连接。
在所述的雨量收集装置上方设置滤网。
所述的漏斗支架与保护外壳连接，在保护外壳底部设置排水孔和固定支架。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型的雨量传感器具有温度自补偿特性，主要采用频率调制实现雨量测量，且其翻斗为双翻漏斗实现光纤光栅同频双调制，为信号分析提供参照对象，降低信号分析难度且提高检测精度；具有雨量排除元件，总体上采用成对双结构对称设计，有效的提高了传感器的使用寿命及其鲁棒性，实现高精度的具有自温度补偿的雨量测量，具备很好的实用性。
附图说明
图1为光纤光栅雨量传感器的剖视图；
图2为光纤光栅雨量传感器的雨量集聚元件；
图3为光纤光栅雨量传感器的双翻漏斗与等强度悬臂梁俯视图；
图4为光纤光栅雨量传感器的双翻漏斗与等强度悬臂梁主视图；
图5为光纤光栅雨量传感器的悬臂梁应变转换元件与核心敏感元件光纤光栅的俯视图；
图6该光纤光栅雨量传感器的雨水排除元件主视图；
图7光纤光栅雨量传感器的雨量转换元件主视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本实用新型做进一步的说明。
如图1-7所示，一种具有温度自补偿特性的双翻漏斗式光纤光栅雨量传感器，包括滤网1、雨量收集装置2、双翻漏斗3、中心转轴4、漏斗支架5、固定支架6、等强度悬臂梁7、第一敏感元件光纤光栅8、第二敏感元件光纤光栅9、悬臂梁固定装置10、集水漏斗11、漏斗支架12、漏斗支架固定元件13、光纤尾纤14、光纤引出孔15、保护外壳16、排水孔17、漏斗型积水段18、平滑过渡段19和底部增速段20。
一种具有温度自补偿特性的双翻漏斗式光纤光栅雨量传感器，包括雨量收集装置2，在雨量收集装置2上方设置滤网1，被测量雨量经过滤网1后进入雨量收集装置2，在雨量收集装置2下方设置双翻漏斗3，双翻漏斗3通过中心转轴4与漏斗支架5相连，漏斗支架5与保护外壳16连接，在保护外壳16底部设置固定支架6。
在保护外壳16的内壁上对称设置等强度悬臂梁7，在等强度悬臂梁7的下表面分别设有第一敏感元件光纤光栅8和第二敏感元件光纤光栅9，第一敏感元件光纤光栅8和第二敏感元件光纤光栅9均分别通过光纤尾纤14经光纤引出孔15引出传感器。
在每个等强度悬臂梁7下方均设置集水漏斗11，集水漏斗11通过漏斗支架12及漏斗支架固定元件13与保护外壳16连接。
如图2所示，雨量收集装置2包括漏斗型积水段18、平滑过渡段19及底部增速段20，其中漏斗型积水段18是漏斗型的锥面，平滑过渡段19为水平平面，底部增速段20为位于平滑过渡段19中部的垂直排水管路，被测量雨量通过漏斗型积水段18、平滑过渡段19及底部增速段20实现被测量雨量的收集、过渡及垂直加速等操作后，加速后的被测量雨量作用于双翻漏斗3。
如图3-5所示，双翻漏斗3为条形槽体结构，在该条形槽体结构的中部设置分水挡板，该条形槽体结构的两端为弧形结构，便于被测量雨量的排出。在被测量雨量作用下通过中心转轴4及漏斗支架5实现翻转；流经双翻漏斗3的雨量由集水漏斗11收集后排出传感器体外；未被集水漏斗11收集的被测量雨量由排水孔17排出。
等强度悬臂梁7为等腰三角形，其底边为固定端，底边所对应的三角形的尖端为自由端，其固定端通过通过悬臂梁固定装置10与保护外壳16连接，其自由端交错设置在双翻漏斗3弧形结构的下方。
双翻漏斗3转动时引起等强度悬臂梁7自由端挠度发生变化，进而导致其表面应变发生变化，从而引起第一敏感元件光纤光栅8、第二敏感元件光纤光栅9中心波长发生漂移，反演分析中心波长漂移数据获得被测量雨量信息。
如图7所示，中心转轴4中设有球形旋转结构，以减小双翻漏斗3翻转时中心转轴4存在摩擦力对其翻转的影响。
传感器测量原理进一步说明如下：
(a)传感器灵敏度
该传感器所包括的雨量集聚元件主要由滤网与雨量收集装置组成。其中，滤网主要用来滤除雨水中的杂质，减少外界因素对传感器检测性能的影响；雨量收集装置主要分为上部漏斗型积水段、中间平滑过渡段及底部增速段。雨量收集装置中底部增速段主要用来实现对被测量雨量的加速，进而产生较大的冲击力，一定程度上可以提高该传感器的检测精度。假设被测量雨量为H，雨量集聚元件半径为r，可得所测雨量质量m为：
m＝ρ·πr2·H (1)
式中，ρ为被测量雨量密度。经过底部增速部分长为hg的雨量收集装置获得势能为：
Ek＝mghg (2)
式中，g为重力加速度常数。在此雨量势能作用下，悬臂梁应变转换元件中等强度悬臂梁自由端挠度wB为：
式中，E、I分别为等强度悬臂梁的弹性模量及其截面惯性矩；l表示等强度悬臂梁的长度。进而，可得等强度悬臂梁表面应变ε为：
ε＝h·wB/l2 (4)
式中，h表示等强度悬臂梁的厚度。进而可得，由等强度悬臂梁表面应变ε及外界温度变化ΔT引起的核心敏感元件光纤光栅中光纤光栅中心波长的变化量ΔλBi(i＝1、2)为：
ΔλBi＝Kεε+(ξ+a)ΔT (5)
式中，ΔT为布拉格波长变化量，Kε为光栅应变的灵敏度，ξ为光纤光栅热光系数，α为光纤的热膨胀系数。假设外界环境温度恒定不变即ΔT为零，可得被测量雨量H与光纤光栅中心波长的变化量ΔλBi之间表达式为：
由式(6)及核心敏感元件光纤光栅解调装置分辨率(如美国MOI公司SM125为1pm)，可得雨量H的分别率为：
综上所述，通告改变雨量转换元件、悬臂梁应变转换元件及核心敏感元件光纤光栅的相关材料几何参数可以实现传感器检测灵敏度的调节。
(b)传感器量程
该传感器所包括的雨量转换元件主要由双翻漏斗、中心转轴、漏斗支架组成。双翻漏斗在外界雨量作用下主要实现雨量对等强度悬臂梁自由端挠度变化频率调制，构建被测量雨量与等强度悬臂梁自由端挠度之间的数学关系。假设双翻漏斗的聚水量为VW，则其在外界雨量为H作用下，该漏斗的翻转频率f翻为：
f翻＝πr2·H/(2·VW) (8)
此时，核心敏感元件光纤光栅在外界作用力下频率调制下，其中心波长的变化频率ff为：
ff＝f翻＝πr2·H/(2·VW) (9)
由式(9)及核心敏感元件光纤光栅解调装置解调所得光纤光栅中心波长变化频率ff可得，被测量雨量H为：
H＝2VWff/(πr2) (10)
因此，通过式(10)及光纤光栅中心波长变化频率ff可反演实现被测量雨量的测量。在该传感器中双翻漏斗、一对悬臂梁应变转换元件及一对核心敏感元件光纤光栅的作用下，其所包含的两个核心敏感元件光纤光栅中心波长变化频率近似相等。这对于后端光纤光栅中心波长变化频率的提取给出参照对象，有利于进一步提高该传感器雨量检测的精度。
(c)传感器温度自补偿特性
在外界被测量雨量H作用下，该光纤光栅雨量传感器中核心敏感元件光纤光栅中心波长的变化λBi(t)可表示为
式中，λ(t)为原始信号，λ趋为趋势项，aj(t)、ωj(t)分别为时变幅值及时变频率。通过该传感器具体实施方式(b)中所述，核心敏感元件光纤光栅中心波长变化中时变幅值及时变频率可以通过信号提取其变化频率ff可以获得外界被测量雨量的测量。因此，此时趋势项λ趋的变化主要由传感器所在检测环境温度的变化引起。由上述分析及式(5)可得该光纤光栅雨量传感器中核心敏感元件光纤光栅由温度引起其中心波长变化为：
由该传感器中一对悬臂梁应变转换元及一对核心敏感元件光纤光栅中所涉及元件的材料及几何尺寸相同，得两个核心敏感元件光栅得应变灵敏度Kε及等强度悬臂梁表面应变ε相等，且传感器所处测量环境变化相同(ΔT1＝ΔT2)。综上可得，通过两个核心敏感元件光纤光栅做差可以有效的降低外界温度变化对该传感器测量结果的影响，进而使该传感器具有自温度的特性。