光纤光栅雨量监测装置的制作方法

1.本实用新型涉及雨量监测技术领域，尤其涉及一种光纤光栅雨量监测装置。


背景技术：

2.降水量是一种重要的气象要素，降水的监测无论是对于边坡灾害、泥石流、大坝水库、路面积水、线路覆冰等基础设施灾害的环境观测都具有重要的意义。雨量监测装置是监测降水量的重要仪器。
3.相关技术中，雨量监测装置包括雨量测量模块、主控制电路和用于向雨量测量模块和主控制电路提供电源的供电模块。雨量测量模块包括测量电路和用于承接并测量雨量数据的翻斗雨量计，翻斗雨量计与测量电路相连接；主控制电路与测量电路相连接，并用于周期性地传递开启或关闭控制信号给雨量测量模块驱动开启或关闭和接收测量电路所传递的雨量数据信息。
4.然而，雨量监测装置应用到野外环境时，会出现供电困难的问题。


技术实现要素：

5.本实用提供一种光纤光栅雨量监测装置，以解决雨量监测装置应用到野外环境时，会出现供电困难的问题。
6.本实用新型提供一种光纤光栅雨量监测装置，包括壳体、承水器、漏斗、翻斗组件、弹性梁和光纤光栅；
7.所述承水器设置在壳体的顶部，所述漏斗固定在壳体内，所述漏斗位于所述承水器的下方，所述承水器用于收集雨水并通过所述漏斗将雨水滴入所述翻斗组件中；
8.所述弹性梁固定在所述壳体内，所述光纤光栅固定在所述弹性梁上；
9.所述翻斗组件可旋转的设置在所述壳体内，所述翻斗组件位于所述漏斗的下方，且位于所述弹性梁的上方，所述翻斗组件用于在雨量达到第一设定值时翻转将雨水倒出，并挤压所述弹性梁以使所述光纤光栅的中心波长发生变化。
10.可选地，所述壳体内设置有容纳所述漏斗、所述翻斗组件、所述弹性梁和所述光纤光栅的腔体，所述壳体的顶部设置有安装所述承水器的安装口，所述承水器的一部分位于所述腔体内，所述承水器的另一部分位于所述腔体外，所述壳体的底部设置有多个漏水孔。
11.可选地，所述壳体的底部设置有多个支撑杆，多个所述支撑杆与所述壳体的底部垂直并连接，用于支撑所述壳体。
12.可选地，所述承水器包括第一圆柱段和锥形段，所述第一圆柱段位于所述壳体外，所述锥形段位于所述壳体内，所述锥形段的大端与所述第一圆柱段的下端连接；
13.所述漏斗包括第二圆柱段和第三圆柱段，所述第二圆柱段与所述第三圆柱段连接，所述第二圆柱段的外径大于所述第三圆柱段的外径，所述第二圆柱段靠近所述锥形段设置，所述第三圆柱段靠近所述翻斗组件设置；
14.所述锥形段的小端的横截面积小于所述第二圆柱段的横截面积。
15.可选地，所述翻斗组件包括翻斗、顶杆和转轴，所述转轴可转动的安装在所述壳体的腔体内，所述翻斗可拆卸的固定在所述转轴上，所述翻斗可随所述转轴转动，所述翻斗中设置有挡板，所述挡板将所述翻斗分成第一部分和第二部分，所述顶杆固定在所述第二部分的下方，所述第一部分和所述第二部分轮流接所述漏斗中的雨水以使所述翻斗绕着所述转轴正转或反转，所述顶杆在所述翻斗的带动下挤压所述弹性梁。
16.可选地，所述顶杆包括大头段和小头段，所述大头段与所述小头段固定连接，所述小头段与所述第二部分固定连接，所述大头段与所述弹性梁相抵接。
17.可选地，所述弹性梁包括第一端和第二端，所述第一端与所述壳体的内壁固定连接，所述第二端为自由端，所述第二端与所述顶杆的大头段抵接；
18.所述光纤光栅靠近所述弹性梁的第二端设置。
19.可选地，所述翻斗组件包括还包括第一限位梁和第二限位梁，所述第一限位梁位于所述第一部分的下方，所述第一限位梁固定在所述壳体的腔体内，所述第一限位梁用于在所述第一部分翻转将雨水倒出时与所述第一部分相抵接，所述第二限位梁位于所述第二部分的下方，所述第二限位梁固定在所述壳体的腔体内，所述第二限位梁用于在所述第二部分翻转将雨水倒出时与所述第二部分相抵接。
20.可选地，还包括光纤光栅解调仪和尾纤，所述尾纤穿设所述壳体，所述尾纤的一端与所述光纤光栅连接，所述尾纤的另一端与所述光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪用于获取所述光纤光栅在预设时间内的中心波长变化。
21.可选地，还包括过滤网，所述过滤网设置在所述承水器内，所述过滤网用于过滤进入所述承水器内的雨水。
22.本实用新型提供一种光纤光栅雨量监测装置，通过翻斗组件在雨量达到第一设定值时翻转将雨水倒出，并挤压弹性梁，使得光纤光栅的中心波长发生变化，从而可以实现对雨量的监测，由于翻斗组件和光纤光栅不需要用电，避免了出现供电困难的问题，进而可以应用于野外环境。
附图说明
23.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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
24.图1为本实用新型实施例提供一种光纤光栅雨量监测装置的结构示意图；
25.图2为图1中的光纤光栅雨量监测装置的壳体的结构示意图；
26.图3为图1中的光纤光栅雨量监测装置的翻斗的结构示意图；
27.图4为图1中的光纤光栅雨量监测装置的顶杆的结构示意图；
28.图5为图1中的光纤光栅解调仪获取光纤光栅在预设时间内的中心波长变化图。
29.附图标记说明：
30.10-壳体；
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101-安装口；
31.102-漏水孔；
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103-通孔；
32.11-支撑杆；
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20-承水器；
33.201-第一圆柱段；
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202-锥形段；
34.21-过滤网；
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30-漏斗；
35.301-第二圆柱段；
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302-第三圆柱段；
36.31-固定架；
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41-翻斗；
37.411-第一部分；
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412-第二部分；
38.413-挡板；
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42-顶杆；
39.421-大头段；
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422-小头段；
40.43-转轴；
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44-第一限位梁；
41.45-第二限位梁；
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50-弹性梁；
42.51-第一端；
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52-第二端；
43.60-光纤光栅；
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70-光纤光栅解调仪；
44.71-尾纤。
具体实施方式
45.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
46.需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
47.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
48.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
49.在以上描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指接合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式接合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合
和组合。
50.相关技术中，雨量监测装置的雨量测量模块和主控制电路都需要供电模块进行供电。当雨量监测装置应用到野外环境时，受限于电网输电距离限制，无法实现在野外偏远地区供电，从而造成对雨量监测装置供电困难的问题。
51.为了解决上述问题，本实用新型提供一种光纤光栅雨量监测装置，通过翻斗组件在雨量达到第一设定值时翻转将雨水倒出，并挤压弹性梁，使得光纤光栅的中心波长发生变化，从而不仅可以实现对雨量的监测，由于翻斗组件和光纤光栅不需要用电，避免了出现供电困难的问题，进而可以应用于野外环境。
52.下面结合具体实施例对本实用新型实施例提供的光纤光栅雨量监测装置进行详细说明。
53.图1为本实用新型实施例提供一种光纤光栅雨量监测装置的结构示意图；图2为图1中的光纤光栅雨量监测装置的壳体的结构示意图；图3为图1中的光纤光栅雨量监测装置的翻斗的结构示意图；图4为图1中的光纤光栅雨量监测装置的顶杆的结构示意图。
54.如图1所示，本实用新型实施例提供一种光纤光栅雨量监测装置，包括壳体10、承水器20、漏斗30、翻斗组件、弹性梁50和光纤光栅60。
55.其中，壳体10的形状可以为圆柱型，也可以为其他形状，在此不做具体设置。在本实施例中，壳体10的形状为圆柱型，壳体10内设置有容纳漏斗30、翻斗组件、弹性梁50和光纤光栅60的腔体。
56.壳体10的材质可以为金属，也可以为塑料，在此不做具体设置。
57.承水器20设置在壳体10的顶部，承水器20用于收集雨水并通过漏斗30将雨水滴入翻斗组件中。
58.在一些实施例中，承水器20的一部分位于壳体10的腔体内，承水器20的另一部分位于壳体10的腔体外。在另一些示例中，承水器20可以全部位于壳体10的腔体内，也可以全部位于壳体10的腔体外。
59.承水器20的形状可以根据实际而定，在此不做具体设置。承水器20的材质可以为金属，也可以为塑料，在此不做具体设置。
60.在一种可选的实施方式中，承水器20包括第一圆柱段201和锥形段202，第一圆柱段201位于壳体10外，锥形段202位于壳体10内，锥形段202的大端与第一圆柱段201的下端连接。当光纤光栅雨量监测装置监测降雨量时，雨水先在第一圆柱段201中收集，然后再汇集在锥形段202中，锥形段202的雨水可以滴入漏斗30中。承水器20的第一圆柱段201与壳体10之间可以通过焊接连接，也可以通过粘接连接，在此不做具体设置。
61.在另一种可选的实施方式中，承水器20可以仅包括锥形段202，锥形段202位于壳体10的腔体内。当光纤光栅雨量监测装置监测降雨量时，雨水直接在锥形段202中收集和汇集，锥形段202的雨水可以滴入漏斗30中。承水器20的锥形段202与壳体10之间可以通过焊接连接，也可以通过粘接连接，在此不做具体设置。
62.需要说明的是，锥形段202设置有大端和小端，锥形段202的大端位于锥形段202的小端的上方。当光纤光栅雨量监测装置监测降雨量时，雨水从锥形段202的大端进入锥形段202，然后雨水从锥形段202的小端滴入漏斗30中
63.漏斗30固定在壳体10内，漏斗30位于承水器20的下方，漏斗30用于将承水器20中
的雨水传递给翻斗组件。
64.漏斗30的形状可以为锥型，也可以为圆柱型，在此不做具体设置。漏斗30材质可以为金属，也可以为塑料，在此不做具体设置。
65.在一种可选的实施方式中，承水器20包括第一圆柱段201和锥形段202，第一圆柱段201与锥形段202连接，第一圆柱段201位于壳体10外，锥形段202位于壳体10内；漏斗30包括第二圆柱段301和第三圆柱段302，第二圆柱段301与第三圆柱段302连接，第二圆柱段301的外径大于第三圆柱段302的外径，第二圆柱段301靠近锥形段202设置，第三圆柱段302靠近翻斗组件30设置。当光纤光栅雨量监测装置监测降雨量时，雨水先在第一圆柱段201中收集，然后再汇集在锥形段202中，锥形段202的雨水滴入漏斗30的第二圆柱段301中，滴入漏斗30的第二圆柱段301中雨水再通过第三圆柱段302滴入翻斗组件中。锥形段202的小端的横截面积小于第二圆柱段301的横截面积。
66.需要说明的是，如图1所示，漏斗30和壳体10之间可以通过固定架31连接。固定架31可以包括三个固定杆，三个固定杆在壳体10的腔体内间隔设置。固定杆与壳体10之间可以通过焊接连接，固定杆与漏斗30之间可以通过焊接连接。图1中只示出了两个固定杆。
67.翻斗组件可旋转的设置在壳体10内，翻斗组件在接收漏斗30滴入的雨水后的雨量达到第一设定值时会翻转将雨水倒出，并挤压弹性梁50。第一设定值可以根据实验获得。
68.翻斗组件中的雨量达到第一设定值后会翻转将雨水倒出并挤压弹性梁50，然后倒出雨水后的翻斗组件会继续接收漏斗30滴入的雨水，在雨水量达到第一设定时再翻转将雨水倒出并挤压弹性梁50。当光纤光栅雨量监测装置监测降雨量时，翻斗组件会将接收雨水、翻转倒水和挤压弹性梁50的动作重复。
69.弹性梁50固定在壳体10内，弹性梁50位于翻斗组件的下方，弹性梁50受到外力作用时会弹性变形。
70.弹性梁50的形状可以为长方体，也可以为三角体，在此不做具体设置。弹性梁50的材质可以为金属，也可以为塑料，在此不做具体设置。
71.光纤光栅60固定在弹性梁50上，当弹性梁50发生弹性变化时，光纤光栅60的中心波长会发生变化。
72.翻斗组件的翻转次数可以转化为弹性梁50的变形次数，弹性梁50的变形次数可以转化为光纤光栅60的中心波长变化次数。因此，翻斗组件的翻转次数可以根据光纤光栅60的中心波长变化次数得到。
73.光纤光栅60可以实现无源工作，还可以抗电磁干扰和抗腐蚀。
74.在单位时间内的翻斗组件的翻转次数与第一设定值的乘积等于单位时间内的降雨量。由于第一设定值是已知值，通过获取翻斗组件的翻转次数就可以得到单位时间内的降雨量。翻斗组件的翻转次数可以通过光纤光栅60的中心波长变化次数得到。需要说明的是，单位时间可以是1分钟。
75.本实用新型实施例提供的光纤光栅雨量监测装置，通过翻斗组件在雨量达到第一设定值时翻转将雨水倒出，并挤压弹性梁50，使得光纤光栅60的中心波长发生变化，从而不仅可以实现对雨量的监测，由于翻斗组件和光纤光栅60不需要用电，避免了出现供电困难的问题，进而可以应用于野外环境。此外，由于翻斗组件和光纤光栅60不需要用电，光纤光栅雨量监测装置在高温低温潮湿等恶劣环境中适应性较好，无雷击隐患；本实用新型实施
例提供的光纤光栅雨量监测装置还可以实现和其他光纤监测整体整合，且在整体应用后不需要维护。
76.可选地，如图2所示，壳体10的顶部设置有安装承水器20的安装口101，壳体10的底部设置有多个漏水孔102。如此设置，可以使得翻斗组件翻转倒出的雨水可以通过漏水孔102及时排除。
77.其中，安装口101的形状可以根据承水器20的形状进行设置。
78.漏水孔102的形状可以为圆形孔，也可以为方形孔，在此不做具体设置。
79.在一种可选的实施方式中，壳体10的底部的形状为圆形，漏水孔102的形状为圆形。多个漏水孔102在壳体10的底部多圈设置，每圈的漏水孔102之间等间距设置。
80.在另一种可选的实施方式中，壳体10的底部的形状为圆形，漏水孔102的形状为方形。多个漏水孔102在壳体10的底部多圈设置，每圈的漏水孔102之间等间距设置。
81.可选地，如图1所示，壳体10的底部设置有多个支撑杆11，多个支撑杆11与壳体10的底部垂直并连接，用于支撑壳体10。如此设置，可以避免壳体10与地面接触，从而可以便于雨水从漏水孔102排出。
82.其中，支撑杆11的形状可以为圆柱，也可以为方柱，在此不做具体设置。
83.在一种可选的实施方式中，壳体10的底部的形状为圆形，支撑杆11的的形状为圆柱，支撑杆11的数量为两个，两个支撑杆11在圆周方向间隔设置，两个支撑杆11与壳体10的底部可以通过焊接连接。
84.可选地，如图1、图3以及图4所示，翻斗组件包括翻斗41、顶杆42和转轴43，转轴43可转动的安装在壳体10的腔体内，翻斗41可拆卸的固定在转轴43上，翻斗41可随转轴43转动。翻斗41中设置有挡板413，挡板413将翻斗41分成第一部分411和第二部分412，顶杆42固定在第二部分412的下方，第一部分411和第二部分412轮流接收漏斗30中的雨水以使翻斗41绕着转轴43正转或反转，顶杆42在翻斗41的带动下挤压弹性梁50。如此设置，使得光纤光栅60的中心波长发生变化。
85.其中，翻斗41内设置有容纳雨水的腔体。翻斗41的第一部分411和第二部分412以挡板413对称设置。当翻斗组件的第一部分411或第二部分412中的雨水达到第一设定值后会将雨水倒出。
86.需要说明的是，光纤光栅雨量监测装置在实际应用过程中，可以准备多个不同第一设定值的翻斗41。光纤光栅雨量监测装置可以根据降雨的大小来选择翻斗，例如，当降雨较大时，可以选择较大第一设定值的翻斗41，当降雨较小时，可以选择较小第一设定值的翻斗41。
87.转轴43为可以绕中心轴线旋转的轴。转轴43可以通过支架和轴承(图中未示出)可转动的安装在壳体10内。
88.顶杆42的形状可以为阶梯杆。顶杆42包括大头段421和小头段422，大头段421与小头段422固定连接，小头段422与翻斗41的第二部分412固定连接，大头段421与弹性梁50相抵接。
89.小头段422的形状可以为圆柱型，大头段421的形状可以半球型。
90.弹性梁50的形状可以为长方体。具体地，如图1所示，弹性梁50包括第一端51和第二端52，第一端51与壳体10的内壁固定连接，第二端52为自由端，第二端52与顶杆42的大头
段421抵接。
91.弹性梁50在壳体10内未受到外力时处于水平状态，且与转轴43垂直。
92.进一步地，光纤光栅60靠近弹性梁50的第二端52设置。如此设置，可以使得光纤光栅60的中心波长变化明显。
93.进一步地，翻斗组件包括还包括第一限位梁44和第二限位梁45，第一限位梁44位于第一部分411的下方，第一限位梁44固定在壳体10的腔体内，第一限位梁44用于在第一部分411翻转将雨水倒出时与第一部分411相抵接，第二限位梁45位于第二部分412的下方，第二限位梁45固定在壳体10的腔体内，第二限位梁45用于在第二部分412翻转将雨水倒出时与第二部分412相抵接。如此设置，可以避免因翻斗41过度翻转而无法接收漏斗30中的雨水。
94.第一限位梁44的形状可以为长方体，也可以为圆柱，在此不做具体设置。第二限位梁45的形状与第一限位梁44的形状相同。
95.可选地，如图1所示，光纤光栅雨量监测装置还包括过滤网21，过滤网21设置在承水器20内，过滤网21用于过滤进入承水器20内的雨水。如此设置，在光纤光栅雨量监测装置在野外应用时，避免泥土或石块将承水器20堵塞。
96.可选地，如图1所示，光纤光栅雨量监测装置还包括光纤光栅解调仪70和尾纤71，尾纤71穿设壳体10，尾纤71的一端与光纤光栅60连接，尾纤71的另一端与光纤光栅解调仪70连接，光纤光栅解调仪70用于获取光纤光栅60在预设时间内的中心波长变化。通过尾纤71可以实现远距离将光纤光栅60的信号传输给光纤光栅解调仪70。
97.需要说明的是，在一些示例中，通过尾纤71可以实现距离为10km内的信号传输。
98.其中，尾纤71可以穿设外壳10的侧壁，也可以穿设外壳10的底壁。在本实施例中，如图2所示，壳体10的侧壁上设置有可使尾纤71穿设的通孔103。
99.通过光纤光栅解调仪70可以获取光纤光栅60在预设时间内的中心波长变化，从而可以计算出降雨量。
100.下面介绍一种对降雨量的算法。首先，设置一个波长变化阈值dλ，然后在单位时间内，统计波长变化量大于dλ的次数。单位时间内翻斗组件翻转次数和这段时间内的降雨量成一一对应函数关系，因此获得单位时间波长变化次数就可推算外界雨量大小。此外，通过单位时间内的降雨量，通过累计求和的方法还可以计算出时日降雨量和年降雨量等。
101.需要说明的是，单位时间可以是1分钟。
102.图5为图1中的光纤光栅解调仪获取光纤光栅在预设时间内的中心波长变化图。图5中的横坐标为时间t，单位为s；图5中的纵坐标为波长λ，单位为nm。
103.在一种可选的实施方式中，第一预设值为0.4mm，dλ为0.06nm。如图5所示，在1分钟内，可得到光纤光栅60有6次波长变化量大于dλ，代表翻斗组件翻转6次，则可就算出这个时间段内降雨量为2.4mm。
104.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。