翻斗式、压电式雨量计测量原理及误差分析

陈 凯 方海涛 沈玉亮

（安徽省大气探测技术保障中心，安徽 合肥230031）

由于我国幅员辽阔，地形多变，降水主要对流雨、地形雨、锋面雨、台风雨几种类型。

对于不同测量精度和应用场景选择不同测量原理的雨量计，就具有十分重要的意义。文章从测量原理、性能差异、降水强度、测量环境等因素进行误差分析，进而为设备选型提供基础性参考。

1 雨量计的技术原理

1.1 翻斗式雨量计

翻斗式雨量计由测量部件和雨轴承部件组成。计量部件由恒磁钢、排水漏斗、信号输出端子、控制线路板组成；承雨器部件由承雨口、饮水漏斗、翻斗、角调节装置、水平调节装置、干簧管等构成。

工作原理为：其工作原理是:雨水从上承座进入贮水器，落入水漏斗，再通过漏斗口流入翻斗桶。

当蓄水量达到一定高度（如0.01mm）时，翻斗会失去平衡而翻倒。每次铲斗被翻倒时，开关就连接到电路上，向记录器发送一个脉冲信号。记录器控制记录器来记录降雨，因此降雨过程可以持续测量。

1.2 压电式雨量计

压电式雨量计主要由所述感测元件测量降雨，所述感测元件由壳体和粘贴在壳体内的压电陶瓷片组成。

工作原理：雨滴落在传感器上，作用在传感器表面。在雨滴的冲击激励下，壳体会产生微小的机械振动。压电陶瓷板在振动的机械应力作用下，电极之间产生电压差，并将电信号输出到外界。雨滴冲击的冲击力越大，振动幅值越大，传感器元件输出电压幅值越大。

该传感器是通过采集压电元件的输出信号得到的，由高斯模型可用于在标准大气条件下得到雨滴的垂直最终速度。雨滴下落的垂直动量为Mv=mVv=m（Vt+Vwv）

式中，m 是雨滴质量，Vt 是垂向雨滴终速，Vwv 是垂向风速。对于等效直径为D 的雨滴，雨滴质量为m=πρD/6

ρ=1g/mm3为雨水的密度，忽略通常情况很小的垂向风速，垂直动量只与雨滴的质量和下落终速有关Mv-mVt

根据冲量定理，雨滴的动量将被传感器元件的冲击力所代替。

在冲击力作用下，传感器壳体产生机械振动，压电传感器将振动信号转换为电信号输出。

每个雨滴对应的输出电压信号为振幅呈指数衰减的正弦信号，输出电压在冲击时刻达到最大值，峰值电压为Um=cMv=cmVt=πρcD/6

式中c 是压电传感器的灵敏度，由压电材料的压电系数决定。雨滴终速Vt 是雨滴粒径D 的正相关函数，因此通过采集各压电材料输出信号的峰值电压来计算相应的雨滴尺寸和体积，得到峰值电压与雨滴尺寸的关系：Um=5.05ρc [1-exp(-0.53D)]D3（ρ、c 为常量）。

2 测量值误差分析及改进措施

2.1 翻斗式雨量计误差分析及改进措施

（1）翻斗式雨量计误差分析

翻斗式雨量计测量雨量，由于结构本身的缺陷，误差主要由翻斗倾角偏大和翻斗转动频率引起的。

当然，在实际使用中，降水量受到环境（例如风、地形、蒸发等）因素的影响产生误差。

翻斗式雨量计进行实际测量时，固定误差（分辨力误差和湿润误差）湿润误差是残留的水珠和水膜没有及时进入翻斗计量产生误差，分辨力误差是由于雨量较小，未能够达到翻斗翻动最小值，产生有雨，但是雨量计无数值。翻斗式雨量计承水口口径的面积，是影响仪器精度的因素之一。

（2）翻斗式雨量计的改进措施

通过误差分析，可采用调整翻斗感量、减小翻斗倾角，缩短翻斗转换时间、增大翻斗式雨量计的承雨口面积、表面涂抹特殊材质等方法减小固有误差，通过技术标定，提高翻斗式雨量计的传感器测量精度。

2.2 压电式雨量计误差分析及改进措施

（1）压电式雨量计误差分析

压电式雨量计测量雨量，由于结构本身的缺陷，误差主要由雨滴重叠跌落和信号噪声干扰引起的。

当然，在实际使用中，降水量受到环境（例如风、地形、杂物等）因素的影响产生误差。

压电式雨量计在实际测量中，由于重叠边界效应，在大雨强情况下，雨强可以定性但在定量方面测量精度产生偏差偏差，对于极小雨强在信号噪声干扰下，也易出现测量精度偏差。

（2）压电式雨量计改进措施

通过误差分析，可采用适度增加传感器受力面积，优化压电感片贴合技术减小边界效应对单个雨滴的测量影响，设计两路采集电路，采用不同放大倍数，经滤波电路处理，去除高频噪声信号及低频纹波的信号干扰。

3 翻斗式雨量计和压电式雨量计优缺点

3.1 翻斗式雨量计优缺点

翻斗式雨量计自动化程度高，获取降雨量的及时性强，降水量信号数字化，降水量资料准确可靠，有明确的技术规范要求，每年进行雨量标定。

缺点是野外安装对观测环境要求高，雨量数据有延时，要加强日常维护，防止雨量桶堵塞。

3.2 压电式雨量计优缺点

压电式雨量计集成度高，量程大，最大可测量8mm/min 降水雨强，比翻斗式雨量计监测量程大，能完成精确到秒的降水时长监测，一体化封装，野外安装占地面积小，基本无需维护，缺点是信号由模拟信号转换为数字信号，信号损耗，无明确的技术规范要求，不能对设备进行标定，长期使用，无法确实数据真实可靠。雨量数据定性监测较好，定量监测数据不可靠。

综上所述，精确的降水测量对于水资源利用、灾害预警和环境评估等方面有重要意义，高质量的降水资料可以为气象、水文、国土等部门计算、分析、使用提供可靠依据，不同雨量计的误差问题会直接影响降水资料的可用性。

在使用中应根据不同区域、不同使用要求、不同使用环境来选择雨量计，当然，随着探测技术的发展，不同雨量计的数据可靠性还会进行改进。