压电式雨量测量装置和系统的制作方法

本申请涉及压电技术领域，尤其涉及一种压电式雨量测量装置和系统。

背景技术：

压电式雨量测量装置采用冲击测量原理对单个雨滴重量进行测算，进而计算降雨量，雨滴在降落过程中受到雨滴重量和空气阻力的作用，到达地面时速度为恒定速度，根据p＝mv，测量冲击即可求出雨滴重量，进而得到持续降雨量；压电式雨量测量装置采用先进的传感技术实时测量，可在恶劣环境下实现全天候、长期连续在线监测，并且测量精度高，量程宽，稳定性能好，因此广泛应用于气象环境监测、水文水利综合监测站、交通道路监测、农林、风力发电等有关部门用来遥测降水量、降水强度、降水起止时间。

但是现有技术中的压电式雨量测量装置由于体积小、重量轻和灵敏度高等特点，会将外界环境的干扰信号生成相应的电信号，例如大风使测量装置产生震动、较大声源或其他振动源都能使测量装置产生误判，从而影响到测量结果的准确性。

可见，现有技术中的压电式雨量测量装置会将外界环境的干扰信号生成电信号，从而影响测量结果的准确性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供了一种压电式雨量测量装置和系统，能解决现有技术中的压电式雨量测量装置会将外界环境的干扰信号生成电信号，从而影响测量结果准确性的问题。

第一方面，本实用新型提供一种压电式雨量测量装置，所述装置包括：至少两个压电传感器，用于将雨滴的动量和环境因素产生的振动量转换成电信号；差分放大器，与所述至少两个压电传感器相连，用于将所述至少两个压电传感器采集到的电信号相减后进行放大，得到目标电信号；测量器，与所述差分放大器相连，用于根据所述目标电信号，测量出雨量参数。

可选地，所述至少两个压电传感器包括：第一压电传感器，用于将雨滴的动量和环境因素产生的振动量转换成第一电信号；第二压电传感器，用于将所述环境因素产生的振动量转换成第二电信号。

可选地，所述差分放大器包括：第一模数转换电路，与所述第一压电传感器相连，用于将所述第一电信号转换成第一数字信号；第二模数转换电路，与所述第二压电传感器相连，用于将所述第二电信号转换成第二数字信号；滤波电路，所述滤波电路的第一输入端与所述第一模数转换电路的输出端相连，所述滤波电路的第二输入端与所述第二模数转换电路的输出端相连，用于对所述第一数字信号和所述第二数字信号的共模信号进行滤波；放大电路，与所述滤波电路的输出端相连，用于对所述滤波电路输出信号进行放大。

可选地，所述测量器包括：信号量化单元，与所述放大电路的输出端相连，用于所述放大电路输出的数字信号进行量化分析，获取到所述雨量参数。

可选地，所述第一压电传感器和所述第二压电传感器包括：压电振子，用于将所述雨滴冲击带来的机械形变转换成脉冲电压信号。

可选地，所述装置还包括：外壳，所述外壳上设置有所述至少两个压电传感器，所述外壳内部设置有所述差分放大器和所述测量器。

可选地，所述第一压电传感器为水平压电振子，设置在所述外壳的顶部；所述第二压电传感器为竖直压电振子，设置在所述外壳的侧面。

可选地，所述压电振子由金属弹性材料和压电陶瓷粘贴组成。

可选地，所述装置还包括：发送器，与所述测量器相连，用于将所述雨量信息发送到终端显示。

第二方面，本实用新型提供一种测量系统，包括上述的压电式雨量测量装置。

本实用新型实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本实用新型提供一种压电式雨量测量装置和系统，所述装置包括：至少两个压电传感器，用于将雨滴的动量和环境因素产生的振动量转换成电信号；差分放大器，与所述至少两个压电传感器相连，用于将所述至少两个压电传感器采集到的电信号相减后进行放大，得到目标电信号；测量器，与所述差分放大器相连，用于根据所述目标电信号，测量出雨量参数。本实用新型提供的压电式雨量测量装置通过至少两个压电传感器来采集到雨滴动量和外界环境因素造成的动量，并且转换成电信号，将至少两个压电传感器输出的电信号输出入到差分放大电路对相同的共模信号过滤，不同的差模信号放大，最后得到由雨滴动量产生的目标电信号，再对所述目标电信号进行识别和计算，获取到精准的雨量参数，因此解决了现有技术中的压电式雨量测量装置会将外界环境的干扰信号生成电信号，从而影响测量结果准确性的问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本实用新型的实施例的一种压电式雨量测量装置的结构示意图；

图2所示为本实用新型的实施例的一种压电式雨量测量装置的结构示意图；

图3所示为本实用新型的实施例的一种压电式雨量测量装置的结构示意图；

图4所示为本实用新型的实施例的一种压电式雨量测量装置的结构示意图；

图5所示为本实用新型的实施例的一种压电式雨量测量装置的结构示意图；

图6所示为本实用新型的实施例的一种电信号的波形示意图；

图7所示为本实用新型的实施例的一种差分放大电路的电路示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。本实用新型实例中相同标号的功能单元具有相同和相似的结构和功能。

图1所示为本实用新型的实施例的一种压电式雨量测量装置的结构示意图，如图1所示，压电式雨量测量装置具体包括：

至少两个压电传感器，用于将雨滴的动量和环境因素产生的振动量转换成电信号；

差分放大器130，与所述至少两个压电传感器相连，用于将所述至少两个压电传感器采集到的电信号相减后进行放大，得到目标电信号；

测量器140，与所述差分放大器130相连，用于根据所述目标电信号，测量出雨量参数。

具体地，本实施例中至少两个压电传感器以两个压电传感器为例，包括第一压电传感器110和第二压电传感器120，两个压电传感器分别设置在所述雨量测量装置的不同位置来采集雨滴的动量和环境因素产生的振动量，并且将所述动量和振动量转换成电信号后输入到差分放大器130进行信号的过滤和放大，其中所述差分放大器130对两路输入信号相减后再进行相应倍数的放大处理，即对两路输入信号中的共模信号进行过滤和对差模型号进行放大的处理；差分放大器130的输出信号输入到测量器140中进行识别和计算，获取到相对应的雨量参数；其中，所述雨量参数包括但不限于降水量、降水强度和降水起止时间；所述环境因素产生的振动量包括但不限于刮风使测量装置产生的自震和强大声源造成的振动。

本实用新型提供一种压电式雨量测量装置，所述装置包括：至少两个压电传感器，用于将雨滴的动量和环境因素产生的振动量转换成电信号；差分放大器，与所述至少两个压电传感器相连，用于将所述至少两个压电传感器采集到的电信号相减后进行放大，得到目标电信号；测量器，与所述差分放大器相连，用于根据所述目标电信号，测量出雨量参数。本实用新型提供的压电式雨量测量装置通过至少两个压电传感器来采集到雨滴动量和外界环境因素造成的动量，并且转换成电信号，将至少两个压电传感器输出的电信号输出入到差分放大电路对相同的共模信号过滤，不同的差模信号放大，最后得到由雨滴动量产生的目标电信号，再对所述目标电信号进行识别和计算，获取到精准的雨量参数，因此解决了现有技术中的压电式雨量测量装置会将外界环境的干扰信号生成电信号，从而影响测量结果准确性的问题。

在本实用新型的一个实施例中，所述测量器140包括：计数单元，用于获取预设时长内所述目标心电信号的波峰数量和每个波峰对应的波峰值；运算单元，用于根据所述波峰数量、所述波峰值和雨滴关系表，计算出所述预设时长内的雨量参数。

在实际应用中，雨滴越大产生的动量越大，则输出的脉冲电压的幅值越大，雨滴越密集产生脉冲电压的个数越多，因此测量器140中的技术单元用来获取目标心电信号中的脉冲电压个数和峰值电压，运算单元再跟进脉冲电压个数、峰值电压和雨滴关系表计算出雨量参数，雨量参数的计算还根据产生脉冲电压的起止时间进行计算。

图2所示为本实用新型的实施例的一种压电式雨量测量装置的结构示意图，如图2所示，压电式雨量测量装置具体包括：

第一压电传感器110，用于将雨滴的动量和环境因素产生的振动量转换成第一电信号；

第二压电传感器120，用于将所述环境因素产生的振动量转换成第二电信号；

所述差分放大器130包括：

第一模数转换电路131，与所述第一压电传感器110相连，用于将所述第一电信号转换成第一数字信号；

第二模数转换电路132，与所述第二压电传感器120相连，用于将所述第二电信号转换成第二数字信号；

滤波电路133，所述滤波电路133的第一输入端与所述第一模数转换电路131的输出端相连，所述滤波电路133的第二输入端与所述第二模数转换电路132的输出端相连，用于对所述第一数字信号和所述第二数字信号的共模信号进行滤波；

放大电路134，与所述滤波电路133的输出端相连，用于对所述滤波电路133输出信号进行放大。

所述测量器包括：

信号量化单元141，与所述放大电路134的输出端相连，用于所述放大电路134输出的数字信号进行量化分析，获取到所述雨量参数。

具体地，第一压电传感器110输出的第一电信号和第二压电传感器120输出的第二信号通常为模拟信号，再进行共模信号的滤波之前需要将所述模拟信号转换成数字信号，因此第一电信号通过第一模数转换电路131转换成第一数字信号，第二电信号通过第二模数转换电路132转换成第二数字信号；然后通过具有共模信号滤波功能的滤波电路133对第一数字信号和第二数字信号中的共模信号进行过滤，过滤后的到的数字信号进过放大电路134后得到目标电信号，目标电信号通过信号量化单元141的量化计算得到雨量参数。

图3所示为本实用新型的实施例的一种压电式雨量测量装置的结构示意图，如图3所示，压电式雨量测量装置具体包括：

外壳230，所述外壳230上设置有第一压电传感器210和第二压电传感器220，所述外壳230内部设置有所述差分放大器130和所述测量器140(未示出)，其中第一压电传感器210和第二压电传感器220都设置在外壳230的顶部，都用于采集雨滴的动量和环境因素产生的振动量并转换成电信号，再将电信号输出到外壳230内部的差分放大器130进行滤波放大。

在本实用新型的另一实施例中，在外壳230顶部可以包括两个以上的压电传感器，例如图3所示，包括4个压电传感器a、b、c、d。

图4所示的实施例中，4个压电传感器的输出信号，可以两两相减，例如a和b相减，c和d相减；或可以a和c相减，b和d相减。

图4所示的实施例中，4个压电传感器的输出信号，可以两两相减后，输出结果再进行一次相减，信号处理方法不再赘述。

在本实用新型其他实施例中，还可以包括更多的压电传感器，对压电传感器的输出电信号进行处理的方法在此不再赘述。

图5所示为本实用新型的实施例的又一种压电式雨量测量装置的结构示意图，如图5所示，本实施例的压电式雨量测量装置的第一压电传感器310设置在外壳230的顶部，用于将雨滴的动量和环境因素产生的振动量转换成第一电信号；第二压电传感器320设置在外壳230的侧面，用于将所述环境因素产生的振动量转换成第二电信号；因此第一压电传感器310采集到的第一电信号和第二压电传感器320采集到的第二电信号经过差分放大器130的差分放大后得到的电信号只是雨滴产生的电信号，排除了环境因素造成的干扰，使得到的雨量数据更加精准；其中，为了使第二压电传感器320采集到的电信号中不存在雨滴动产产生的信号，可以在所述雨量测量装置侧面增加防雨结构，或者增加外壳230顶部上的第一压电传感器310的水平面积，使侧面上的第二压电传感器320减少雨滴的干扰，使数据更加精准。

图6为与图5实施例相对应的压电式测量装置产生的一种电信号的波形示意图，其中图6(a)为图5实施例中的第一压电传感器310输出的脉冲电压波形示意图，包括雨滴动量和环境因素产生的振动量转换成的电信号；图6(b)为图5实施例中的第二压电传感器320输出的脉冲电压波形示意图，只包括环境因素产生的振动量转换成的电信号；图6(c)为图5实施例中的差分放大器130进行差分后的脉冲电压波形示意图，将图6(a)与图6(b)的电信号进行相减后得到纯雨滴的动量生成的电信号，以图中t1、t2、t3时刻的电压值即可得出。

在本实用新型其他实施例中，还可以包括更多的压电传感器，例如在外壳顶部设置多个压电传感器，在外壳侧面也设置多个压电传感器，对压电传感器的输出电信号进行处理的方法在此不再赘述。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一压电传感器和所述第二压电传感器包括：压电振子，用于将所述雨滴冲击带来的机械形变转换成脉冲电压信号。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一压电传感器为水平压电振子，设置在所述外壳的顶部；所述第二压电传感器为竖直压电振子，设置在所述外壳的侧面。

具体地，压电振子利用外界应力引起压电振子形变而产生电信号的原理，将机械位移变成电信号，压电振子为传感器的检测部位；在本实施例中，下雨时雨滴作用于压电振子时，引起压电振子形变，雨滴越大，形变越大，压电振子输出电压越大，因此计算出压电振子输出电压与雨量大小的对应关系，从而实现雨量检测的目的。

在本实用新型的另一个实施例中，压电振子由振动板和压电元件组成，振动板的作用是接收雨滴冲击的能量，按自身固有振动频率进行弯曲振动，并将振动传递给内侧压电元件上，压电元件把从振动板传递来的变形转换成电压，因此当雨滴落到振动板上时，压电元件上就会产生电压，电压大小与加到振动板上的雨滴能量成正比，差分放大电路将压电元件上产生的电压信号进行差分放大后再输出到测量器中计算出雨量信息。

在本实用新型的又一个实施例中，所述压电振子由金属弹性材料和压电陶瓷粘贴组成。

在本实用新型的一个实施例中，所述装置还包括：发送器，与所述测量器相连，用于将所述雨量信息发送到终端显示。

具体地，本实用新型提供的压电式雨量测量装置可以将测量的雨量参数信息发送终端进行显示，还可以作为前置参数发送到后端服务器进行进一步的数据处理和分析。

在本实用新型的一个实施例中，提供一种测量系统，包括压电式雨量测量装置，所述压电式雨量测量装置包括：至少两个压电传感器，用于将雨滴的动量和环境因素产生的振动量转换成电信号；

差分放大器130，与所述至少两个压电传感器相连，用于将所述至少两个压电传感器采集到的电信号相减后进行放大，得到目标电信号；

测量器140，与所述差分放大器130相连，用于根据所述目标电信号，测量出雨量参数。

图7所示为本实用新型的实施例的一种差分放大电路的电路示意图，如图7所示，所述差分放大器130包括：

第一电阻r1，所述第一电阻r1的第一端与所述第二电压传感器120的输出端in2相连；

第二电阻r2，所述第二电阻r2的第一端与所述第一电阻r1的第二端相连，所述第二电阻r2的第二端接地；

第三电阻r3，所述第三电阻r3的第一端与所述第一电压传感器110的输出端in1相连；

第四电阻r4，所述第四电阻r4的第一端与所述第三电阻r3的第二端相连；

运算放大器u，所述运算放大器u的反相输入端与所述第四电阻r4的第一端相连，所述运算放大器u的同相输入端与所述第二电阻r2的第一端相连，所述运算放大器u的输出端与所述第四电阻r4的第二端相连，所述运算放大器u的输出端out还与所述测量器140的输入端相连。

本实用新型提供一种压电式雨量测量装置和系统，所述装置包括：至少两个压电传感器，用于将雨滴的动量和环境因素产生的振动量转换成电信号；差分放大器，与所述至少两个压电传感器相连，用于将所述至少两个压电传感器采集到的电信号相减后进行放大，得到目标电信号；测量器，与所述差分放大器相连，用于根据所述目标电信号，测量出雨量参数。本实用新型提供的压电式雨量测量装置通过至少两个压电传感器来采集到雨滴动量和外界环境因素造成的动量，并且转换成电信号，将至少两个压电传感器输出的电信号输出入到差分放大电路对相同的共模信号过滤，不同的差模信号放大，最后得到由雨滴动量产生的目标电信号，再对所述目标电信号进行识别和计算，获取到精准的雨量参数，因此解决了现有技术中的压电式雨量测量装置会将外界环境的干扰信号生成电信号，从而影响测量结果准确性的问题。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。