降雨量觀測(cè)是氣象和水文部門的重要工作,對(duì)于我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利開發(fā)、江河防洪和工程管理都有著積極的指導(dǎo)意義。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)在降雨量觀測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于自動(dòng)氣象站在數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間等方面與人工降雨量的觀測(cè)存在差異,嚴(yán)重影響降雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)有效性。為了解決雨量及降雨微觀特征同步監(jiān)測(cè)的難題,本文提出基于壓電效應(yīng)的雨量感知方法,并且設(shè)計(jì)了一種低成本、低功耗的壓電式雨量傳感器,從而實(shí)現(xiàn)了利用動(dòng)力學(xué)原理測(cè)量降雨量及雨滴粒徑。論文首先比較了各種降雨量測(cè)量與雨滴粒徑測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn),提出了基于壓電效應(yīng)原理的測(cè)量方案并且設(shè)計(jì)了軟、硬件測(cè)量平臺(tái)的總體方案。然后設(shè)計(jì)了壓電式雨量傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路、數(shù)據(jù)采集程序以及上位機(jī)用戶界面,并對(duì)現(xiàn)有測(cè)量的方法進(jìn)行了優(yōu)化,包括利用陣列式壓電換能器消除傳感器的邊界效應(yīng),準(zhǔn)確測(cè)量雨滴下落末動(dòng)量;采用不同放大倍數(shù)的兩路信號(hào)并行處理分析的方法,保證足夠的量程和分辨率來兼顧大、小雨滴的測(cè)量;以及提出基于電壓真有效值信號(hào)的信號(hào)峰值識(shí)別方法,有效降低信號(hào)處理的采樣分辨率,通過累加雨滴體積得到降雨量和降雨強(qiáng)度。其次本文通過等動(dòng)量法初步標(biāo)定單個(gè)雨滴激勵(lì)下的壓電式雨量傳感器的輸入輸出關(guān)系和傳感器分辨率,再以同步采集的翻斗雨量計(jì)輸出信號(hào)為參考雨量,利用基于模型的自適應(yīng)訓(xùn)練和優(yōu)化方法,實(shí)現(xiàn)了在模擬降雨中傳感器輸出與雨滴粒徑關(guān)系的標(biāo)定。通過累加雨滴體積得到降雨量和降雨強(qiáng)度,綜合雨滴粒徑和數(shù)量獲得雨滴譜,從而完成降雨量以及雨滴譜分布的測(cè)量。通過在模擬降雨和實(shí)際降雨中分別進(jìn)行的測(cè)量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文測(cè)量方案和傳感器功能,實(shí)驗(yàn)表明,本文的測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量記錄雨滴的數(shù)量、粒徑大小、累積降雨量和實(shí)時(shí)降雨強(qiáng)度等信息,而且能夠保證對(duì)于大雨、小雨以及降雨微觀特征都具有較高的測(cè)量精度。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P412
【部分圖文】：

??應(yīng)用激光原理對(duì)運(yùn)動(dòng)中的雨滴進(jìn)行測(cè)定的光學(xué)雨滴譜儀主要有Ｖａｉｓａｌａ?ＦＤ１２Ｐ、??ＷＩＶＩＳ、ＰＡＲＳＩＶＥＬ和ＬＰＭ，如圖１－１所示。光學(xué)雨滴譜儀通過測(cè)量雨滴穿過測(cè)??量空間時(shí)接收到的光強(qiáng)衰減或散射來測(cè)量雨滴的大小和降落速度，并且識(shí)別降水??類型，但是這種雨滴譜儀體積和重量大、成本高、功耗大、并且需要頻繁的維護(hù)［１７，１８］。??＾ｒｒ??圖１－ｌＴｈｉｅｓＣｌｉｍａ激光降水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ＬＰＭ）??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｉｅｓ?Ｃｌｉｍａ?Ｌａｓｅｒ?Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ?Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ?Ｓｙｓｔｅｍ?（ＬＰＭ）??（３）攝像法：通過線陣或者面陣ＣＣＤ相機(jī)等圖像傳感器獲取降水粒子的圖??像，通過圖像采集和處理技術(shù)來測(cè)量降水粒子的大小、形狀、速度及譜分布。??圖１－２Ｗ２Ｄ視頻雨滴譜儀（２ＤＶＤ）??Ｆｉｇ．?１－２?Ｖｉｄｅｏ?Ｄｉｓｄｒｏｍｅｔｅｒ?（２ＤＶＤ）??奧地利Ｓｃｈｏｎｈｕｂｅｒ等研制Ｗ２Ｄ視頻雨滴譜儀（２ＤＶＤ）可以測(cè)量雨滴的粒徑??大小、雨滴形狀、下落速度和雨滴譜分布等［１９］，如圖１＿２所示。呂達(dá)仁和吳北嬰??提出了依據(jù)光閃爍技術(shù)感測(cè)雨滴的檢測(cè)算法，并通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)證明了該檢測(cè)方法??４??

??應(yīng)用激光原理對(duì)運(yùn)動(dòng)中的雨滴進(jìn)行測(cè)定的光學(xué)雨滴譜儀主要有Ｖａｉｓａｌａ?ＦＤ１２Ｐ、??ＷＩＶＩＳ、ＰＡＲＳＩＶＥＬ和ＬＰＭ，如圖１－１所示。光學(xué)雨滴譜儀通過測(cè)量雨滴穿過測(cè)??量空間時(shí)接收到的光強(qiáng)衰減或散射來測(cè)量雨滴的大小和降落速度，并且識(shí)別降水??類型，但是這種雨滴譜儀體積和重量大、成本高、功耗大、并且需要頻繁的維護(hù)［１７，１８］。??＾ｒｒ??圖１－ｌＴｈｉｅｓＣｌｉｍａ激光降水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ＬＰＭ）??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｉｅｓ?Ｃｌｉｍａ?Ｌａｓｅｒ?Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ?Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ?Ｓｙｓｔｅｍ?（ＬＰＭ）??（３）攝像法：通過線陣或者面陣ＣＣＤ相機(jī)等圖像傳感器獲取降水粒子的圖??像，通過圖像采集和處理技術(shù)來測(cè)量降水粒子的大小、形狀、速度及譜分布。??圖１－２Ｗ２Ｄ視頻雨滴譜儀（２ＤＶＤ）??Ｆｉｇ．?１－２?Ｖｉｄｅｏ?Ｄｉｓｄｒｏｍｅｔｅｒ?（２ＤＶＤ）??奧地利Ｓｃｈｏｎｈｕｂｅｒ等研制Ｗ２Ｄ視頻雨滴譜儀（２ＤＶＤ）可以測(cè)量雨滴的粒徑??大小、雨滴形狀、下落速度和雨滴譜分布等［１９］，如圖１＿２所示。呂達(dá)仁和吳北嬰??提出了依據(jù)光閃爍技術(shù)感測(cè)雨滴的檢測(cè)算法，并通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)證明了該檢測(cè)方法??４??

?北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文通過這種原理測(cè)量每個(gè)雨滴粒徑，然后累加為雨量大小輸出的。相比于上檢測(cè)原理的雨滴譜儀，壓電式雨滴譜儀體積小、耗電低，適合作為密集分動(dòng)氣象站的雨量檢測(cè)設(shè)備［２７］。圖１－５是荷蘭代爾夫特理工大學(xué)設(shè)計(jì)的低成電式雨滴譜儀，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在大雨中它的測(cè)量結(jié)果和翻斗式雨量計(jì)的測(cè)量乎相同，但在小雨中由于靈敏度不足造成小尺寸雨滴數(shù)據(jù)缺失，使壓電式儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)偏�。郏玻福�。江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉清惓等人一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（ＦＰＧＡ）的降水粒子信號(hào)采集處理系統(tǒng)，利用各的響應(yīng)函數(shù)與各粒子的響應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)固體粒子的測(cè)量［２９］。??
【參考文獻(xiàn)】

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1 萬和躍;濮江平;劉思瑤;;雨滴譜探測(cè)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用概述[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào);2015年31期

2 夏平;蔣建清;蔡晶垚;程超;;人工降雨模擬裝置的研制與工程應(yīng)用進(jìn)展綜述[J];企業(yè)技術(shù)開發(fā);2015年34期

3 劉清惓;朱俊豐;杜虹;郭薇;韓上邦;王勛濤;;基于壓電效應(yīng)的FPGA降水粒子測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];傳感器與微系統(tǒng);2014年03期

4 劉西川;高太長(zhǎng);劉磊;翟東力;;基于粒子成像測(cè)速技術(shù)的雨滴微物理特性研究[J];物理學(xué)報(bào);2014年02期

5 劉西川;高太長(zhǎng);劉磊;胡帥;;雨滴微物理特征研究及測(cè)量技術(shù)進(jìn)展[J];地球科學(xué)進(jìn)展;2013年11期

6 王文瀚;凌進(jìn)中;王力田;黃元申;張大偉;;光學(xué)雨滴譜測(cè)量?jī)x[J];光學(xué)技術(shù);2013年03期

7 晉立軍;封秋娟;李軍霞;孫鴻娉;申東東;任曉霞;;自動(dòng)激光雨滴譜儀在雷達(dá)降水估測(cè)中的應(yīng)用[J];氣候與環(huán)境研究;2012年06期

8 岑家生;王青梅;羅暉;吳強(qiáng);;基于線陣CCD的降水粒子探測(cè)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J];激光與紅外;2012年06期

9 李亞麗;任芝花;陳高峰;妙娟利;劉芳霞;;自記與自動(dòng)觀測(cè)降雨量的差異及相關(guān)分析[J];氣象科技;2011年02期

10 孫海洋;江志東;劉濤;;淺談降水類型的光學(xué)識(shí)別技術(shù)[J];氣象水文海洋儀器;2010年04期

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4 殷紅彩;壓電加速度傳感器測(cè)量電路的研制[D];安徽大學(xué);2007年

5 朱寅;新型壓電致動(dòng)網(wǎng)孔式霧化器設(shè)計(jì)[D];東南大學(xué);2006年

6 劉海陵;紅外感雨器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];南京信息工程大學(xué);2005年

本文編號(hào)：2836037