一种风速雨量测量一体化装置及其工作方法

本发明涉及气象监测，尤其涉及一种风速雨量测量一体化装置及其工作方法。

背景技术：

1、气象探测是气象工作的重要环节，气象站台的分布密度直接影响了气象预测的准确度。风速和雨量是气象探测中的基本元素。仪器成本和结构复杂程度决定了风速和雨量测量仪器向普适化方向发展的潜力，低成本易制造的仪器有利于提高产量而增大站台密度。因此，研究如何降低风速和雨量测量仪器的生产难度是很重要的，本发明从研究仪器的新型结构和新测量方法入手解决该问题。

2、现有的雨量测量设备以翻斗式雨量计为主，但是翻斗式雨量计有活动部件，不方便加工，价格较贵，由于翻斗式雨量计每一次计数都依赖于翻斗装满雨后倾倒，若降雨微小，降雨进行一段时间后翻斗才第一次装满倾覆，导致对降雨开始时间记录严重滞后，因此对于毛雨等微弱降雨数据信息收集不够敏感。目前无动件的雨量计主要有光学雨量计和压电雨量计，但是测量精度粗略，价格也较贵，性能不能满足专业气象监测需求，由于加工难度大，也不便于普通气象爱好者自己制作。以上种种因素限制了气象工作向各个方向的发展。

3、本发明旨在追求成本低廉、结构简单易制作、测量精度合格的雨量风速监测技术，丰富气象监测种类，降低气象站台建设难度和成本，在不失科学严谨性的同时推进气象工作业余化，让人人都能参与气象研究。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种风速雨量测量一体化装置及其工作方法，实现对任意风场的风速风向和一般雨量环境雨量的测量，解决传统仪器结构复杂和成本高昂的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种风速雨量测量一体化装置，包含支架，支架上固定有万向球轴承和遮雨板，万向球轴承另一端刚性连接固定着主翼，主翼上固定有垂翼、扰流块和第一太阳能板，遮雨板上方固定有雨量板和第二太阳能板，下方固定有第二单片机和第二蓄电模块。

3、优选的方案中，所述万向球轴承为带螺杆万向滚珠球轴承，包含螺杆和滚珠，支架与螺杆固定为一体，主翼刚性固定在滚珠上。

4、优选的方案中，所述扰流块固定在主翼的迎风侧，垂翼固定在主翼的尾端，两者十字垂直交叉固定为一体，第一太阳能板固定在主翼的顶部。

5、优选的方案中，所述垂翼与主翼十字垂直交叉形成一条轴线，主翼相对于该轴线对称，垂翼相对于该轴线为非对称布置，迎风侧小，背风侧大，滚珠与主翼的刚性固定点落在此轴线上。

6、优选的方案中，所述扰流块内部为空心结构，内部安装有三轴磁场传感器、无线传输模块、第一单片机和第一蓄电模块。

7、优选的方案中，所述第一蓄电模块与第一太阳能板，第二蓄电模块与第二太阳能板分别连通储存电能，第一蓄电模块与三轴磁场传感器、无线传输模块、第一单片机，第二蓄电模块与第二单片机电源线分别连通供电，第一单片机与三轴磁场传感器，第二单片机与雨量板分别信号线连通。

8、优选的方案中，所述支架包含连接杆，连接杆连接上部横杆和下部横杆，遮雨板固定在上部横杆的顶面，上部横杆尾端底部固定有第一竖杆，第一竖杆尾端与万向球轴承的螺杆连接固定为一体，下部横杆尾端底面固定有第二竖杆。

9、优选的方案中，所述雨量板包含若干导体条、导体块和垫高结构，导体条和导体块分片分开设置在雨量板的两片区域，相互隔开不交融，导体块和垫高结构交错布置在雨量板的同一区域内，相邻导体条间距不等，沿一个方向递增，每个导体块和每条导体条均与第二单片机连通。

10、1)采用上述任意一项所述的一种风速雨量测量一体化装置进行风速测量的方法，具体包含以下步骤：

11、step1.1：将安装调试好的一种风速雨量测量一体化装置安装固定在室外开阔处，使雨量板水平；

12、step1.2：第一单片机接收三轴磁场传感器的数据，判断主翼是否稳定静止，先在一段时间内连续记录三个轴向的磁场分量大小，计算这段时间内记录的磁场大小数据的缩放方差，若缩放方差小于设定阈值，则第一单片机认为主翼稳定，；

13、step1.3：若主翼稳定静止，第一单片机记录此时三轴磁场传感器的z轴数据，以无风时三轴磁场传感器的z轴在水平面为例，作为无风时的z轴数据参考；

14、step1.4：垂翼迫使主翼始终呈迎风姿态，风的压力使主翼与竖直向下方向呈现夹角；

15、step1.5：第一单片机采集三轴磁场传感器z轴地磁场分量大小，以无风时z轴在水平面的传感器布置方位为例；

16、step1.6：第一单片机利用z轴地磁场分量大小换算出夹角大小和风速大小，第一单片机将测量到的z轴数据和无风时z轴处于水平面时的数据带入公式中即可算出风速大小，第一单片机将记录一段时间内的风速数据；

17、step1.7：第一单片机得到三轴磁场传感器的三轴数据后，利用特定算法即可确定主翼方位并换算成风向，该特定算法就是该三轴磁场传感器的指南针算法，该算法为现成的开源代码，第一单片机将记录一段时间内的风向数据，风向数据以0°～360°的形式表示，定义正北为0°；

18、step1.8：第一单片机将一段时间内输出的风速和风向数据拟合数据曲线后计算出实际值与拟合值的残差范数，残差范数指实际值与拟合值的偏差平方和，计算残差范数的方式与matlab2018软件中的方式相同；

19、step1.9：第一单片机计算一段时间内的平均风速、平均风向和风速和风向的残差范数并输出。

20、2)采用上述任意一项所述的一种风速雨量测量一体化装置进行雨量测量的方法，具体包含以下步骤：

21、step2.1：将安装调试好的一种风速雨量测量一体化装置安装固定在室外开阔处，使雨量板水平；

22、step2.2：第二单片机检测雨量板导体块之间的独立性，检测是否有导体块之间存在导通，无导通则称独立，首先第二单片机通过引脚将所有导体块通高电平，然后第二单片机逐一对导体块进行电压测量，单个导体块被测量时不施加高电平，其余导体块均施加高电平，若被检测的单个导体块出现高电平，则认为该导体块不独立；

23、step2.3：对于不独立的导体块的数据不作为测量输入，若不独立的导体块过多，则不进行下一步工作且第二单片机输出异常；

24、step2.4：第二单片机检测导体条之间的独立性，若存在不独立的导体条则不进行下一步工作且输出错误，首先第二单片机对所有导体条施加高电平，然后逐一测量每个导体条的电压，被测量的导体条不施加高电平，其余导体条均施加高电平，若被测量的导体条出现高电平，则认为其不独立；

25、step2.5：第二单片机检测相邻导体块之间的导通情况，记录被导通的相邻导体块的序号，通过序号所在的位置得知雨滴所在的位置并记录，首先第二单片机对偶数序号的导体块施加高电平，对奇数序号的导体块进行电压测量，测量到奇数序号出现高电平时即可判断被导通的位置，即雨滴的位置；

26、step2.6：第二单片机通过同一时刻雨滴所处在的位置换算出雨滴之间的平均间距；

27、step2.7：第二单片机通过一段时间内被雨水导通的导体条位置换算出雨滴平均有效直径，与上述step2.5类似，对导体条进行依次编号，对偶数号导体条施加高电平，对奇数号导体条测量电压，测量到高电平的奇数号导体条所在位置，即可反映出雨滴的有效直径；

28、step2.8：第二单片机记录一段时间内相邻导体块被导通的次数作为降雨滴数，此步骤可以选取部分或全部相邻导体块进行测量；

29、step2.9：第二单片机通过雨滴之间的平均间距、雨滴的平均有效直径和一段时间内的降雨滴数换算出这段时间的降雨量；

30、step2.10：第二单片机输出这段时间内的降雨量。

31、本发明所提供的一种风速雨量测量一体化装置及其工作方法，具有如下有益效果：

32、1、本发明采用万象球轴承，实现了水平方向运动和竖直方向运动共用一个轴承，使结构更加精简，安装调整更加方便；

33、2、本发明在扰流块和主翼的配合下，实现了主翼角度的偏转，使其对任意风速区间内风速都能灵敏响应，从而高精度测量风速；

34、3、本发明采用垂翼控制主翼，使主翼始终正面迎风实现对任意风向的测量；

35、4、本发明采用三轴磁场传感器，实现了同时对风速和风向的测量；

36、5、本发明支架结构的设置，不影响主翼在各方向上的灵活运动和灵敏反应，从而进一步保证了测量数据的精准；

37、6、本发明通过单片机和无线传输模块，实现对数据的处理，并上传到云端，方便查看和储存；

38、7、本发明采用万向球轴承，使装置的安装不必严格水平，降低了对安装环境和精度的要求，方便安装和固定；

39、8、本发明采用无活动部件的雨量测量装置，不存在磨损现象，可灵敏感知毛雨等微弱降雨和雾，进一步保证了雨量测量的灵敏度和精准度；

40、9、本发明自带独立蓄电池，独立作业，同时设计了太阳能板及时补电，保证了装置室外长时间作业，不受空间、地点和供电的限制；

41、10、本发明将三轴磁场传感器、无线传输模块和单片机内置设置，使电气元器件进一步得到保护，提升了整体装置的整机寿命和性能。