基于压电技术的降雨测量方法研究

基于压电技术的降雨测量方法研究

论文摘要

降雨量观测是气象和水文部门的重要工作,对于我国工农业生产、水利开发、江河防洪和工程管理都有着积极的指导意义。随着信息技术的发展,自动化检测技术在降雨量观测中得到了广泛的应用。但是由于自动气象站在数据采集方式、数据观测时间等方面与人工降雨量的观测存在差异,严重影响降雨量观测数据有效性。为了解决雨量及降雨微观特征同步监测的难题,本文提出基于压电效应的雨量感知方法,并且设计了一种低成本、低功耗的压电式雨量传感器,从而实现了利用动力学原理测量降雨量及雨滴粒径。论文首先比较了各种降雨量测量与雨滴粒径测量方法的优势与缺点,提出了基于压电效应原理的测量方案并且设计了软、硬件测量平台的总体方案。然后设计了压电式雨量传感器的机械结构、硬件电路、数据采集程序以及上位机用户界面,并对现有测量的方法进行了优化,包括利用阵列式压电换能器消除传感器的边界效应,准确测量雨滴下落末动量;采用不同放大倍数的两路信号并行处理分析的方法,保证足够的量程和分辨率来兼顾大、小雨滴的测量;以及提出基于电压真有效值信号的信号峰值识别方法,有效降低信号处理的采样分辨率,通过累加雨滴体积得到降雨量和降雨强度。其次本文通过等动量法初步标定单个雨滴激励下的压电式雨量传感器的输入输出关系和传感器分辨率,再以同步采集的翻斗雨量计输出信号为参考雨量,利用基于模型的自适应训练和优化方法,实现了在模拟降雨中传感器输出与雨滴粒径关系的标定。通过累加雨滴体积得到降雨量和降雨强度,综合雨滴粒径和数量获得雨滴谱,从而完成降雨量以及雨滴谱分布的测量。通过在模拟降雨和实际降雨中分别进行的测量实验,验证了本文测量方案和传感器功能,实验表明,本文的测量方法可以实现连续测量记录雨滴的数量、粒径大小、累积降雨量和实时降雨强度等信息,而且能够保证对于大雨、小雨以及降雨微观特征都具有较高的测量精度。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 引言
  •   1.1 课题的背景和意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •   1.3 研究内容与章节安排
  • 2 雨量检测原理及系统方案设计
  •   2.1 压电效应原理
  •   2.2 雨滴的下落终速
  •   2.3 雨滴谱谱型分布
  •   2.4 压电式雨量测量原理
  •   2.5 总体方案设计
  •   2.6 本章小结
  • 3 压电式雨量测量系统设计
  •   3.1 传感器机械结构设计
  •     3.1.1 传感元件选型
  •     3.1.2 传感器封装
  •     3.1.3 边界效应的去除
  •     3.1.4 重叠雨滴辨识方法
  •   3.2 信号采集电路设计
  •     3.2.1 放大电路
  •     3.2.2 带通滤波电路
  •     3.2.3 RMS值转换电路
  •     3.2.4 数据处理电路
  •     3.2.5 PCB设计
  •   3.3 单片机采集程序设计
  •   3.4 上位机界面设计
  •   3.5 本章小结
  • 4 传感器标定方法研究
  •   4.1 等动量标定方法
  •     4.1.1 等动量标定原理
  •     4.1.2 等动量标定实验
  •   4.2 自适应标定方法
  •     4.2.1 自适应标定原理
  •     4.2.2 自适应标定实验环境
  •     4.2.3 标定结果
  •   4.3 本章小结
  • 5 实验结果及分析
  •   5.1 模拟降雨环境实验
  •   5.2 真实降雨环境实验
  •   5.3 本章小结
  • 6 结论
  •   6.1 论文总结
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
  • 学位论文数据集
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 蔺潇

    导师: 朱力强

    关键词: 降雨测量,降雨量,雨滴粒径,自适应标定

    来源: 北京交通大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 气象学

    单位: 北京交通大学

    分类号: P412

    DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.000666

    总页数: 85

    文件大小: 6938K

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