光学雨量传感器设计研究

王 相，庞喜龙，林虹宇，万洪虎，杜中鹏

（威海精讯畅通电子科技有限公司，威海264200）

降雨是自然界中常见的天气现象之一，其在空间上分布不均匀性与时间上变化不稳定性会直接影响到江河湖海的水位，危及农作物的产量、质量等；会间接造成城市内涝、山地滑坡、泥石流、山洪等次生灾害的发生，关系着人们的衣食住行。因此，及时监测雨量变化，能够为防汛防灾提供准确、真实、及时的参考依据，对人们生产生活具有重大意义。

雨量传感器是用于雨量监测的重要仪器，可以自动监测和记录雨量数据，为人们生产生活提供准确的雨量气象信息，指导人们合理规避风险，及时开展相关活动等。传统雨量传感器主要以翻斗式、称重式、虹吸式为主[1]。传统雨量传感器在实际应用中存在多种弊端，如：野外恶劣环境中，其复杂的结构易出现故障，需要大量人力物力进行定期维护；对雨量的测量为降水累计值，在降雨量非常少的降雨情况监测误差较大，效果不佳等。近年来，随着科学技术发展，雨量监测技术以及形式也越来越多样，包括光学探测、声波探测和雷达探测等。其中，以光学原理为基础的雨量监测技术应用最为广泛，具有代表性的方法有光强闪烁法、光散射法、光强衰减法等[2]。

本文利用光强衰减法设计一种光学雨量传感器，利用光线在传输过程中发生光线损失，从而引起接收端光通量的变化，最终推算出雨量大小。传感器光线接收端采用PIN 硅光电二极管，灵敏度高、抗干扰能力强；同时，传感器设计为多个检测通路结构，可消除杂光对检测结果的影响，提高检测精度。

1 检测原理

当光线从光密介质射向光疏介质时，若入射角大于某一临界角θc时，所有入射光线将全部被反射不发生折射。这种光学现象即全反射（total internal reflection，TIR）。

全反射在雨量监测上应用效果优异。将传感器入射角设计为无雨时的全反射临界角，因而无雨时，传感器光源发射的入射光线将全部被反射到光线接收端，图1 是无雨时入射光线路径变化[3]；雨天时，雨滴滴落到传感器上，使得传感器外部介质发生变化，全反射平衡被打破，部分入射光线发生折射，光线接收端只能接收到部分入射光线，即光线接收端的光通量发生变化，图2 是有雨水入射光线路径变化。光通量变化量与雨量之间有着非线性关系，通过检测光通量变化量即可推算出雨量；雨滴遮挡幅度可推算出雨滴的直径[4]；最终综合分析数据得到降雨类型等信息。

图1 无雨时光线路径Fig.1 Light line path without rain

图2 有雨时光线路径Fig.2 Light path with rain

2 传感器基本结构与检测过程

2.1 基本结构

图3 是本文设计的光学雨量传感器，主要包括光线整合器、红外灯、红外光线接收端、电路板、底座等结构。其中，红外灯、红外线接收端、电路板等构成传感器光学系统，被光线整合器罩住。

图3 传感器剖面图Fig.3 Cross section of sensor

光线整合器包括顶面、棱台状侧面、棱柱状侧面，其中，棱台状侧面倾斜角度设计为与水平方向呈45°，以满足发生全反射条件，同时使得传感器整体结构更加紧凑美观。

图4 是传感器内光学系统结构，包括6 个红外灯和6 个红外线接收端；6 个红外灯在电路板1中心处圆周分布，6 个红外线接收端沿电路板1 边缘处圆周分布，两者之间一一对应，形成6 个检测通路。

图4 传感器光学系统Fig.4 Optical system of sensor

2.2 检测过程

由全反射原理可知，当入射角大于全反射临界角时，折射现象完全消失，所有入射光线将全部被反射。根据全反射临界角计算公式，即公式（1），推算出本文光学雨量传感器全反射临界角为39°。

式中：θc为全反射临界角；n1为光疏介质折射率；n2为光密介质折射率。

本文光学雨量传感器不能保证全部入射光线以平行于水平面方向射出，在反射时有部分光线不满足全反射条件从而被损失掉，因此为减少过多入射光线被损失，本文将传感器入射角设为45°。

本文光学雨量传感器通过将光线整合器棱台状侧面与水平面间夹角设计为45°以满足本文入射角设计要求。同时，棱台状侧面有一定斜度使得雨水极易滑落，可防止雨水长时间停留在传感器上从而影响下次检测结果。工作时，红外灯发出波长为850 mm 的红外入射光，入射光线将被垂直反射到水平位置的红外光线接收端，图5、图6 是红外光线在本文光学雨量传感器中有雨、 无雨时的传输路径。

图5 无雨时光线传输路径Fig.5 Light line transmission path without rain

图6 无雨时光线传输路径Fig.6 Light line transmission path without rain

传感器在工作时会受到外界杂光影响且每个接收端受到的影响一致。为消除外界杂光对检测精度的影响，将同一直径方向的两个检测通路组成一组数据输出组，一个输出组作为一个输入信号，输入到检测电路中，以外界消除杂光影响。由图7 所示，整个传感器包括三个数据输出组，分别检测有雨、无雨时相关数据并分析，最终得到雨量信息，具体数据分析，如下：

无雨时：

设三路输出值：x1，x2，x3

有雨时：

设三路输出值：y1，y2，y3

三路的绝对值：z1=

求出三路数据中的平均值：z=（z1+z2+z3）/3

通过z 数值的大小，可以判断出雨的大小。

假设小雨的范围是a1-a2，中雨的范围是b1-b2，大雨的范围是c1-c2

当a1＜z＜a2时

降雨量s1=z*a（a 为读取到z 值的次数）

当b1＜z＜b2时

降雨量s2=z*b（b 为读取到z 值的次数）

当c1＜z＜c2时

降雨量s3=z*c（c 为读取到z 值的次数）

总降雨量s=s1+s2+s3

图7 传感器数据输出组Fig.7 Sensor data output group

3 光学雨量传感器对比

在80年代末、90年代初，美国STI 公司研制生产出一种发光二极管天气识别仪（light emitting diode weather identifiev，LEDWI），该仪器利用红外线在传播路径中受到竖直运动降水物尘埃的影响，其载频将发生变化，从而根据其变化来确定降水大小[5]。该仪器解决了当时传统方法容易受到场地和环境温度影响、测量动态范围窄等问题，同时检测精度也有很大提高。但受当时技术条件限制，该识别仪仍存在很多不足，例如：技术复杂、成本高、重量大、维护周期短等问题。

如今，市场上常见光学量传感器多采用将光源与光线接收端分别设置于同一直径的两端，由图8所示工作时传感器内部光源发出平行光[6]，经导光器全面域内多次全反射后射至受光元件所在位置，最终由探测器及处理器将光信号转换得到降雨速率和降雨量。

图8 一种光学雨量传感器Fig.8 An optical rain sensor

实际中，传感器并不能提供理想的全反射条件，因此光线在传感器中经多次全反射传输会造成不同程度的光线损失，最终影响检测精度。

4 结语

本文光学雨量传感器基于光强衰减法设计原理，对传感器内部光学系统进行改进设计，通过将红外灯与红外光线接收端数量提升至6 个，形成多个检测通道再结合检测电路可消除杂光对检测结果的影响，提高检测精度；每个检测通道内入射光线只进行一次全反射，最大限度减少传输过程中对光线造成的损失；棱台状侧面有45°倾斜角度，能够使足够多光线反射至红外线接收端，且雨水不易停留至传感器表面，进而使得传感器精度更高。整个光学雨量传感器在结构上小巧紧凑、方便安装，在多种环境条件下都有良好的检测精度及灵敏度。