一種基于壓力敏感元件的降雨傳感器*

漆隨平，王東明，孫 佳，籍 艷，崔天剛

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島266001)

我國地面氣象觀測(cè)規(guī)范中對(duì)降水的定義，雨量是指某一時(shí)段內(nèi)的未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失的降水[1]，在水平面上積累的深度，降水強(qiáng)度是指單位時(shí)間的雨量，通過降水強(qiáng)度可計(jì)算得到雨量。目前廣泛應(yīng)用于陸地氣象觀測(cè)站的雨量傳感器主要有翻斗式、虹吸式及其在這兩種的基礎(chǔ)上在結(jié)構(gòu)或控制方式等方面的改進(jìn)型傳感器[2－4]。隨著敏感器件及電子技術(shù)的發(fā)展，研究者開發(fā)出了超聲波式[5]、光學(xué)式[6]及其稱重式[7]等多種類型的雨量傳感器。已有雨量傳感器在強(qiáng)降雨、移動(dòng)平臺(tái)等特殊環(huán)境下難以滿足雨量準(zhǔn)確測(cè)量要求[8]，如翻斗式雨量計(jì)[9]測(cè)量的精度受降雨強(qiáng)度大小的限制，雨越大測(cè)量誤差越大;虹吸式雨量計(jì)[10]需要經(jīng)常性的現(xiàn)場(chǎng)記錄測(cè)量以及更換記錄紙，這給無人監(jiān)測(cè)帶來了不便，且在強(qiáng)降雨時(shí)虹吸過程也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。超聲波雨量計(jì)則由于超聲波的環(huán)境因素影響，其測(cè)量精度較低;稱重式雨量傳感器同樣受排水等過程的影響，在強(qiáng)降雨時(shí)產(chǎn)生較大誤差[11]。2006年芬蘭Vaisala公司研發(fā)出了基于多傳感器信息融合的氣象觀測(cè)設(shè)備，能夠通過超聲測(cè)風(fēng)、溫濕度傳感器及壓力傳感器，可得到雨量數(shù)據(jù)，但該設(shè)備不能單獨(dú)完成雨量的測(cè)量，且雨量測(cè)量過程易受風(fēng)速、溫濕度、能見度等因素的影響。

為解決這些不足[12]，本文研制出一種基于壓力敏感元件的、可滿足強(qiáng)降水以及復(fù)雜環(huán)境的雨量傳感器。該傳感器采用壓電敏感器件，測(cè)量雨滴在其上的沖擊力大小和持續(xù)時(shí)間的信號(hào)，根據(jù)降水介質(zhì)沖擊力強(qiáng)度、沖擊力持續(xù)變化過程與雨量之間的量化關(guān)系，確定出相應(yīng)的模式識(shí)別模型和精確的測(cè)量數(shù)學(xué)模型。由于該方法可根據(jù)降水介質(zhì)在傳感器上沖擊波形的不同，可以測(cè)得降水強(qiáng)度，且這種方法由于不需要對(duì)雨量進(jìn)行物理收集，因此解決了雨量的溢出、堵塞和蒸發(fā)等問題。試驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器測(cè)量準(zhǔn)確，運(yùn)行可靠，可適應(yīng)強(qiáng)降水及復(fù)雜環(huán)境。

1 傳感器硬件設(shè)計(jì)

1.1 傳感器基本原理

壓電敏感器件測(cè)量雨量的基本原理圖如圖1所示。降水介質(zhì)的沖擊力在感知表面由壓電敏感器件轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出電壓信號(hào)的大小正比與降水介質(zhì)在感知表面上的沖擊力，即ΔFt∝ΔVt(K)，因此，雨量與沖擊力大小及其持續(xù)時(shí)間成一定比例關(guān)系，如關(guān)系式(1)所示。式中ΔFt為t時(shí)刻降水介質(zhì)在壓力敏感元件上產(chǎn)生的壓力，ΔVt(K)為在t時(shí)刻開始連續(xù)采集的壓力ΔFt及其在K時(shí)間段內(nèi)變化過程轉(zhuǎn)換的電壓值，其中K=0，…，N，其大小在建模時(shí)具體確定。通過對(duì)壓力大小及其持續(xù)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得雨量。

圖1 壓電敏感器件輸出值轉(zhuǎn)換示意圖

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

雨量傳感器原理框圖如圖2所示。壓力敏感器件將感應(yīng)到的降水壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)處理器通過信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換及采集計(jì)算得到壓力值，通過模型計(jì)算中心對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，最終得到雨量值，并將數(shù)據(jù)輸出到外部設(shè)備。

圖2 降水量傳感器硬件原理框圖

1.2.1 壓力敏感器件選擇

壓力敏感器件選用濺射薄膜壓力敏感元件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個(gè)惠斯登電橋，如圖3中虛框內(nèi)電路所示，應(yīng)變片將壓力的變化變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化ΔR，通過直流電橋?qū)㈦娮璧淖兓D(zhuǎn)換成電壓的變化，測(cè)量電壓變化即可得到壓力變化。該敏感元件為等臂電橋，即PR1=PR2=PR3=PR4=R，又稱全橋差動(dòng)電路，其輸出電壓為:

因此，與單臂應(yīng)變電阻電橋相比，等臂電橋的電壓靈敏度提高了四倍，消除了非線性誤差，也具有溫度補(bǔ)償功能。同時(shí)，對(duì)于壓力敏感元件本身在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移，采用差動(dòng)全橋工作方式的靈敏度最高，且能實(shí)現(xiàn)溫度變化的自動(dòng)補(bǔ)償。

圖3 信號(hào)處理單元原理圖

1.2.2 信號(hào)處理單元電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)放大電路如圖3 所示，電阻，R1、R2、R3、WR3組成零點(diǎn)調(diào)節(jié)電路，用以調(diào)節(jié)雨量為下限時(shí)輸出零值。穩(wěn)壓管D1和電阻R13組成橋路電壓。選擇四運(yùn)放集成電路LM324，四運(yùn)放中運(yùn)放U1A、U1B、U1C組成差動(dòng)放大電路，選擇 R8=R9，R10=R11=R14=R15，故差動(dòng)放大電路放大倍數(shù)為:

運(yùn)放U1D組成線性變換電路，通過調(diào)節(jié)WR1來調(diào)整信號(hào)的滿量程，得到測(cè)量雨量上限時(shí)的滿量程電壓，其放大倍數(shù):

1.2.3 融合計(jì)算單元硬件電路設(shè)計(jì)

融合計(jì)算單元硬件電路原理框圖如圖4所示。計(jì)算核心單元選擇AVR單片機(jī)，由于AVR單片機(jī)采用CMOS技術(shù)和RISC架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算，內(nèi)部集成了存儲(chǔ)單元及端口功能單元。AVR系列單片機(jī)中的AT90CAN128，內(nèi)部集成CAN控制器，能夠方便的實(shí)現(xiàn)CAN總線接口，因此本設(shè)計(jì)采用AT90CAN128作為主控芯片。電壓信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器采用AT90CAN128內(nèi)置的10 bit ADC，參考電壓采用內(nèi)部2.56 V的電壓基準(zhǔn)。輸出采用CAN總線輸出，其接口電路由CAN控制器(AT90CAN128內(nèi)置)和CAN收發(fā)器CTM1050組成。

圖4 融合計(jì)算單元硬件電路原理框圖

1.3 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了感應(yīng)降水介質(zhì)，將降水介質(zhì)沖擊力及持續(xù)時(shí)間轉(zhuǎn)換成雨量，需要設(shè)計(jì)降水介質(zhì)沖擊力感受結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的雨量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。降雨在降水介質(zhì)接觸面產(chǎn)生沖擊力，采樣周期內(nèi)降水沖擊力及其持續(xù)變化過程因降水強(qiáng)度的不同而不同，沖擊力使得應(yīng)變片產(chǎn)生變化，而其變化過程也導(dǎo)致應(yīng)變片的阻值變化，通過采集應(yīng)變片的阻值及其變化過程，從而可得到降水強(qiáng)度。

圖5 降水量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳感器軟件研制

2.1 基于壓力敏感器件的雨量測(cè)量模型研究

雨量傳感器中壓力敏感器件輸出電壓值Xt(n)=f(ΔFt)，表示在t時(shí)刻降水介質(zhì)沖擊力Ft使得壓力敏感器件輸出電壓經(jīng)放大處理后為Xt(n)，由于雨量不僅與沖擊力大小有關(guān)，且跟持續(xù)時(shí)間有關(guān)，因此在t時(shí)刻以等間隔Δt時(shí)間采樣n個(gè)數(shù)，即n=1，…，K。這樣，只要沖擊力存在，即可一直持續(xù)采樣并監(jiān)測(cè)電壓值，通過對(duì)電壓值建立模型，即可得到雨量?？紤]到獲取的電壓數(shù)據(jù)與沖擊力大小成正比，而與雨量之間存在某些非線性影響，將雨量與電壓值歸結(jié)為非線性函數(shù)逼近問題，考慮到廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GRNN(Generalized Regression Neural Network)具有很強(qiáng)的非線性映射能力和柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其高度的容錯(cuò)能力，且具有建模需要樣本數(shù)量少、人為確定的參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，因此，選用GRNN實(shí)現(xiàn)雨量定量計(jì)算，如圖6所示。

圖6 廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖中S為輸入樣本個(gè)數(shù)，S1為第一層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，S2為第二層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，W1為第一層權(quán)值矩陣，W2為第二層權(quán)值矩陣，‖dist‖為輸入向量Xn和輸入權(quán)值矩陣的行向量之間的距離，b1、b2為閾值。

徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中激活函數(shù)為:

式中，‖xp－ci‖為歐式范數(shù)，c為高斯函數(shù)中心，σ為高斯函數(shù)的方差。因此，徑向基層輸出為:

式中 n1=‖W1－X‖·*b1，其中·*表示數(shù)量乘積，通過GRNN映射，將一組電壓向量X轉(zhuǎn)換成雨量P，得到電壓值X與雨量的關(guān)系式為:

2.2 雨量測(cè)量模型訓(xùn)練

根據(jù)我國海濱觀測(cè)規(guī)范，雨量以mm為單位，取一位小數(shù)。當(dāng)日雨量大于10.0 mm時(shí)，測(cè)量的準(zhǔn)確度為士4%;當(dāng)日雨量小于或等于10.0 mm時(shí)，測(cè)量的準(zhǔn)確度為0.4 mm。根據(jù)地面氣象觀測(cè)規(guī)范，雨量測(cè)量范圍為0～400 mm，分辨率為0.1 mm，當(dāng)雨量大于≤5 mm時(shí)準(zhǔn)確度為±0.1 mm，當(dāng)雨量＞5 mm時(shí)，準(zhǔn)確度為±2%。為了得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)，選擇YOUNG公司的MODEL50202雨量傳感器(為得到全量程的雨量，采用上位機(jī)計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的雨量)，在流量計(jì)量實(shí)驗(yàn)室，在精密計(jì)量流量計(jì)控制下以10 mm為間隔輸出0～400 mm降水，分別記錄MODEL50202雨量傳感器Pm以及研制的雨量傳感器輸出電壓信號(hào)Vmn，以Pm為目標(biāo)向量，為Vmn輸入數(shù)據(jù)對(duì)GRNN雨量模型進(jìn)行訓(xùn)練。其中m為對(duì)雨量量程分割數(shù)，訓(xùn)練過程中取值40;n為在每一點(diǎn)上以時(shí)間間隔Δt采電壓值的個(gè)數(shù)，取值為50。

訓(xùn)練過程中，對(duì)GRNN模型中唯一需要調(diào)整的參數(shù)分別取值為 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 依次進(jìn)行了訓(xùn)練，SPREAD值對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練結(jié)果如圖7所示。

圖7 GRNN模型訓(xùn)練誤差圖

3 傳感器測(cè)試及試驗(yàn)

建立好傳感器測(cè)量模型后，首先在同樣的試驗(yàn)裝置上獲取數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試。在流量計(jì)量實(shí)驗(yàn)室在精密計(jì)量流量計(jì)控制下以2.5 mm/min為等間隔的降水強(qiáng)度，分別記錄MODEL50202雨量傳感器Pm以及研制的雨量傳感器輸出電壓信號(hào)Vmn，用獲取的數(shù)據(jù)對(duì)GRNN雨量模型進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 傳感器模型測(cè)試結(jié)果

綜合建模和測(cè)試過程中SPREAD值對(duì)結(jié)果影響的分析，SPREAD=0.3時(shí)的測(cè)試和訓(xùn)練效果較好，為此，選擇其值作為傳感器模型參數(shù)。將模型移植到研制的傳感器中，根據(jù)氣象要素觀測(cè)規(guī)范設(shè)計(jì)出傳感器軟件，并在試驗(yàn)裝置上對(duì)研制傳感器進(jìn)行降水強(qiáng)度比對(duì)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳感器降水強(qiáng)度準(zhǔn)確性比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果單位:mm/min

試驗(yàn)結(jié)果表明，研制傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器具有較好的一致性，遠(yuǎn)優(yōu)于氣象要素觀測(cè)規(guī)范要求的技術(shù)指標(biāo)，通過工程化研制后可以試制出滿足規(guī)范要求的傳感器。

4 結(jié)論

本文研制了基于壓力敏感器件的雨量傳感器，選擇其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個(gè)惠斯登電橋、具有溫度補(bǔ)償特性的濺射薄膜壓力敏感元件，設(shè)計(jì)出弱小信號(hào)差動(dòng)放大電路及基于ARM嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了將壓力敏感元件固定在感受降水介質(zhì)表面的傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立了基于GRNN模型的雨量測(cè)量模型，通過對(duì)壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集及模型計(jì)算，獲取基于壓力信號(hào)的降水強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果表明該傳感器能滿足降水強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求，并具有更加精確、穩(wěn)定、可靠的性能。由于不存在翻轉(zhuǎn)、降水介質(zhì)排放等過程，因此，該傳感器可克服現(xiàn)有傳感器蒸發(fā)、虹吸過程影響雨量測(cè)量的不足。

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