常用几种降水传感器的工作原理分析比较

张朝明

摘 要 通过对地面气象观测业务中不同的降水观测方式进行比较，以及对业务中常用到的几种降水传感器工作原理进行分析。结果表明，新型的称重式降水传感器运用先进的测量技术，实现了对不同形态降水的自动观测，弥补了老式降水传感器的弊端和不足，体现出其在降水自动观测中的优势。

关键词 降水观测;降水传感器;工作原理

引言

降水是指从天空降落到地面上的液态、固态或混合态的水，其观测包括对降水量和降水强度的观测。降水观测是地面气象观测业务的主要项目之一，其资料的准确性和完整性对于不同时效的天气预报、全球气候分析、预防和减少自然灾害、城市环境改善和人工影响天气情况都有着重要的意义。

在地面气象观测业务中，对于降水要素的观测由最初的人工采用雨量筒进行降水观测;到能够进行半自动化观测的、采用自记钟记录数据的虹吸式降水传感器;到能够实现自动化观测的、采用脉冲输出方式向自动站采集器传输数据的翻斗式降水传感器;再到能够智能化判斷降水发生及降水类型的、采用载荷元件测量降水值的新型称重式降水传感器。在实际的降水观测中，不同传感器体现出各自的优势和不足。

1各种降水观测仪的结构以及测量原理

人工雨量器的测量原理：其结构为雨量筒和量杯两部分，雨量筒所起的作用是承接降水物，它又包括外筒、贮水瓶和盛水器三部分。盛水器则分为承雨器（有漏斗）和承雪器（无漏斗）两种。在每天08点和20点两个观测时次，由观测人员分别量取当前时次12小时降水量，观测时，降水若为液体，则改用贮水瓶，将液体全部倒入量杯，降水值即为读取的刻度数;降水若为固态，则换取外筒，取回室内，待固体降水融化后，用量杯测量，即得到降水值[1]。

DSJ2型虹吸式降水传感器的测量原理：盛水器收集到降水后，收集降水经漏斗进水管被引入至一个圆形容器内，即浮子室内;自记钟上的笔端与浮子上的直杆相连接，虹吸管则与浮子室外部相连接。在降水的浮力作用下，浮子开始上升，自记笔在浮子的带动下，开始在自记纸上记录[2]。

SL3-1型双翻斗降水传感器的测量原理：降水经过盛水器后，途径漏斗流入至上层翻斗，当积累到一定量时，上层翻斗受到水重力作用而进行翻转，水流至汇集漏斗处，再经汇集漏斗的节流管流入至计量翻斗，此处能起到使得不同降水强度调整为较均匀强度的作用，从而使测量过程中产生的误差降至最低，当累积的降水量达到0.1mm时，计量翻斗会把降水倾倒给计数翻斗，使计数翻斗翻转一次，与此同时，磁钢会扫描干簧管一次，干簧管因磁化而瞬间闭合一次，就会产生一个开关信号，代表0.1mm的降水量[3]。

DSC3型称重式降水传感器的测量原理：其主要是由载荷元件、降水发生探测器、数据处理单元、外围组件等几部分组成，载荷元件将测得的收集容器中降水重量的电信号数值传到运算器中，与此同时，主板上的中央处理器通过降水发生探测器判断是否有降水发生，只有在降水发生探测器判断出有降水发生的时候，载荷元件测得的降水重量的电信号数值才会输出，运算器经过计算将电信号数值转化成以毫米为单位的数值，再通过数据存储器的常数校准、并结合温度、风等环境干扰要素的过滤与修正，计算出最终的降水量值[5]，其工作原理框图如图1所示。

2基于电阻应变技术的载荷元件

DSC3型传感器的核心部分就是基于电阻应变技术的载荷元件，在收集容器中的降水重力作用下，元件的敏感梁以及在敏感梁表面黏附的电阻应变片发生弹性形变，在应变片弹性发生变化的基础上，电阻应变片的阻值也发生了变化，电阻值的变化再经过相应的转换电路被输出为电信号，最终得到降水重量值。

机械形变是在外界拉力或压力施加于应变片材料上而发生的，同时会导致导体或半导体材料的阻值发生改变，这种现象被称为是“应变效应”。假设一种应变片材料为电阻丝，如图2所示，它在未受力时的原始电阻为：  式中，为材料的电阻率;为材料的长度;为材料的截面积。假设在外力F的作用下，材料发生了机械形变，则使长度、面积、密度均发生变化，、、分别为相应变化量，为相应电阻值变化量， 由多元函数微分得

用相对变化表示式得   ，假设电阻丝的半径为，截面面积，则有，所以。令电阻丝的纵向应变为，横向应变为，则由材料力学泊松定律可知：

，其中，为泊松比。

经整理得， 若用增量和表示和，则上式也可以表示为：

设 ，在这里，假设电阻丝的灵敏系数为，对于每一种电阻丝，不管受到拉力或压力，其灵敏系数都是恒定不变的，即值是恒定的。当超出设定范围内，值即会变化，通常电阻丝的，进一步可表示为：   [4]。载荷元件正是基于这种原理，实现了通过对重量变化的快速响应，从而测量和计算出降水量。

3基于光学原理的降水发生探测器

当有不同类型的降落物进入到传感器的收集容器中时，光束的传播，会对降落物粒子产生一定的影响，利用相关仪器可以获知光束中的降落物粒子信息，正是基于这种原理，降水发生探测器才能够实现判断降水是否发生。该原理是根据不同类型降落物粒子的速度、尺度分布和通过光束频率的对应关系来进行判断的，降落物的类型不同，其粒子体积大小和下降速度有区别的，可通过不同粒子大小和速度的谱分布，实现对粒子类型的反演[5]，若已得到降落物粒子相关信息的基础上，设定相应的判断模式，从而实现对降水的识别，以及实现对例如沙子、碎石、树叶、鸟粪等其他非降水杂物的排除。

降水发生探测器具有相对的两端，一端为发射端，另一端为接收端，发射端的两个遮阳管中间有一个红外发光二极管，发出一道红外线光束，由接收端来接收红外光束，光束经由光电转换器件进行转换处理，最终获得降落物粒子信息。降水发生探测器测量原理如图3所示，当有不同类型的降落物粒子穿越采样空间时，会导致红外发射光线光各种性质的发生变化，再根据相应的推算来获得的降落物粒子信息，从而辨别区分降水粒子和非降水粒子[5]，降水发生探测器正是基于此原理，在判断有降水发生的情况下，才会将测量的重量通过脉冲的方式输出。

4结束语

通过对观测业务中不同阶段的几种常用降水传感器工作原理进行分析和比较，特别是对称重式降水传感器先进的工作原理和测量技术进行了分析。可知，现如今多数台站对于除液态降水以外的其他形态降水仍主要依靠台站测报人员进行观测，称重式降水传感器的出现，既弥补了虹吸式降水传感器、翻斗式降水传感器不能测量固态降水和混合态降水的空白，也克服了观测非液态降水存在的及时性不稳定、无法排除非降水物影响和观测频率低等缺点，真正实现了运用自动气象设备对液态、固态或混合态降水的观测，统一了不同形态降水的采集测量标准，使得降水观测的准确性和观测效率有所提高，更大程度地保证了气象业务水平和服务质量。

参考文献

[1] 俞卫平，王晓辉，陈永清，等.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003：98-100.

[2] 中国气象局气科所计量研究所.气象仪器检定检修手册[M]. 北京：气象出版社，1982：69.

[3] 李黄.自动气象站实用手册[M].北京：气象出版社，2007：38-39，41-42.

[4] 赵玉刚，邱东，等.传感器基础[M].北京：中国林业出版社，2008：39-43.

[5] 孙海洋，江志东，刘涛.浅谈降水类型的光学识别技术[J].气象水文海洋仪器，2010（4）：24-25.