一种自动雨量计的制作方法

本实用新型涉及一种雨量计，具体涉及一种基于红外折射原理的光学自动雨量计。

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为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够进行动态测量，且无需人工定期清理的自动雨量计。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种自动雨量计，包括MCU模块、红外发射端、准直透镜、导光器、红外接收端和信号处理模块；红外发射端为多个，分别与MCU模块相连；导光器整体呈中空圆锥体，包括外圆锥体和内圆锥体；所述导光器顶部封闭形成外圆锥体的顶点，底面开口与内部中空部分与形成内圆锥体；各红外发射端发射红外线分别通过对应的准直透镜由该导光器的圆锥底面垂直入射导光器后，经导光器顶点出射然后进入红外接收端；各红外线沿导光器圆锥底面的圆周方向均匀分布；红外接收端通过信号处理模块与MCU模块相连。

进一步的，导光器的内圆锥体底面直径5cm；外圆锥体底面直径6cm，圆锥母线长度为6cm，底面圆心到锥形顶点的高度为5.24cm。

本实用新型自动雨量计还包括晶振电路；MCU模块通过晶振电路与红外发射端相连。

信号处理模块包括I/V转换模块、放大器、AD采样模块；红外接收端依次通过I/V转换模块、放大器、AD采样模块与MCU模块相连。

红外发射端为8个，沿导光器的底面圆周方向均匀分布。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：

1、本实用新型通过采用多个红外发射端通过锥形导光器进行信号采集后，计算得到降雨量，更加精准；雨滴落在导光器表面不积水，不会造成杂物堵塞，无需定期进行人工清理。

2、同时采用MCU模块驱动晶振电路产生38kHZ的信号，将红外光调制成38kHZ的载波信号，能有效避免空气中红外光线的干扰。

附图说明

图1为导光器的结构示意图；

图2为红外线在导光器内部的传播路径示意图；

图3为红外发射端的布置示意图；

图4为调制后的红外线发射信号；

图5为接收端的电信号；

图6为光线全反射示意图；

图7为本实用新型自动雨量计的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

如图7所示，本实用新型自动雨量计包括MCU模块、红外发射端、准直透镜、导光器、红外接收端、I/V转换模块、放大器、AD采样模块。MCU模块驱动晶振模块产生38kHZ的电信号，进而将红外发射端的红外光调制成38kHZ的载波信号（如图4所示）发射出去，是为了避免空气中近红外光线的干扰。光信号经过准直透镜变成平行光在导光器中发生全反射（如图2所示），雨滴落在导光器表面时红外光线在雨滴位置发生折射，能量损失，红外接收端接收的光强将减弱。减弱的光信号经红外接收端（采用光电二极管）转化为电流信号，电流信号经I/V转换模块（电流电压转换模块）转化为电压信号，电压信号经放大器放大，然后对放大后的电压信号通过AD采样模块进行AD采样输入到MCU模块中，MCU模块对数字信号的幅值及频率进行计算即可计算出雨量大小。

计算原理如下：

雨滴在空气中受到的阻力与速度的关系：

………(1)

雨滴在下落过程中可以近似看成半径为的球体，雨滴受到的重力为：

……….(2)

雨滴在下落过程中速度逐渐增大，当阻力与重力达到平衡时，雨滴开始匀速下落，

由(1)=(2)得：

上式即为雨滴下落的末速度。

本实用新型中导光器采用锥形导光器（如图1、图2所示，外圆锥体和内圆锥体之间形成图1中的阴影部分，为实心玻璃结构，即构成了光线的传播路径），如图2所示，雨滴从接触导光器表面到弹开所经过的距离为，则雨滴接触采集器表面的时间间隔为：

图2为红外光线在导光器内部的传播路径示意图，红外线的电磁波波长相比可见光、紫外线波长较长，所以穿透玻璃、塑料件的能力强，同时不容易受其他光线的影响，成本最低，质量最稳定。将红外线调制成38kHZ（远大于雨滴下落频率）的载波信号发送出去，图4为调制之后的信号。

光电接收二极管在一定电压条件下，光电流大小与照度成线性关系。当没有雨滴时，光电接收二极管接收到的信号频谱与发射端是没什么区别的；雨滴在某一时刻匀速打在采集器表面时，会发生下面的变化：

由于雨滴打在采集器表面的品频率是远小于载波频率的，所以雨滴打在采集器上表现为电信号振幅的大小变化，图5为接收端的电信号。即为雨滴在在采集器表面停留的时间，分析波形，通过计算波谷的数目，我们可以计算出雨滴的数目，则单位时间降雨量为：

综上通过分析接收到的电信号频谱可以得出雨滴数目和雨滴大小，进而求出降雨量。

本实用新型沿导光器底面圆周均布设置的8个红外发射端A1-A8，如图5所示，B为接收端，圆锥底面面积为S。

通过8个红外发射端的设置，同时进行8个点的数据采集，能有效增大采集的面，提高准确性和精度。

图6为光线全反射示意图，根据光线全反射的原理计算出红外光在导光器中的反射角的范围：

空气折射率，玻璃折射率，则玻璃发生全反射的临界角为：

水的折射率，则光线在雨滴和玻璃之间发生全反射的临界角为：

所以红外光线在导光器内反射的角度控制在（优选的，控制导光器底面圆的内直径5cm，外直径6cm，圆锥母线长度为6cm，底面圆心到锥形顶点的高度为5.24cm）。