一种压电式雨量计校准装置、方法和系统与流程

本发明属于传感器校准，具体涉及一种压电式雨量计校准装置、方法和系统。

背景技术：

1、压电式雨量计凭借响应速度快、测量范围宽、维护成本低等优势，广泛应用于气象观测、水文监测、地质灾害预警等场景。其工作原理是通过压电传感器感应雨滴撞击面板产生的振动信号，将振动信号转化为电信号，再通过算法换算为降雨量数据。监测降雨数据的精准性直接决定了后续依靠数据开展决策的可靠性，因此需定期校准以维持性能稳定和数据的精准。

2、当前压电式雨量计校准方式大多采用实验室人工模拟降雨校准，通过搭建人工模拟降雨大厅，控制降雨环境实现校准。该方式虽精度较高，但实际应用需要将野外设备拆卸后运输至实验室，校准周期长且校准流程繁琐，影响设备工作的连续性。户外的雨量计对比校准通常是在待校准雨量计旁部署标准雨量计（如翻斗式雨量计、量筒式雨量计），以标准设备的测量数据为基准进行对比校准。但是标准雨量计校准成本高，不适用于野外偏远站点的现场校准。同时校准需等待自然降雨或人工辅助降雨，校准周期受天气影响极大，无法实现实时校准。

3、因此亟需一种无需依赖专业实验室搭建工模拟降雨大厅、无需等待自然降雨、可直接在野外现场开展的实时、快速、精准、便携化校准装置和系统，以解决现有技术无法实现高效野外校准的行业难题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种压电式雨量计校准装置、方法和系统，能够实现对压电式雨量计全雨强范围（0.1-200mm/h）的高精度校准，同时兼顾装置便携性，适配野外现场校准场景。

2、为实现本发明的目的，提供以下技术方案。

3、一种压电式雨量计校准装置，包括：

4、超声振动模块，用于产生频率和振幅可控的高频正弦振动，以模拟不同雨强下雨滴撞击雨量计面板的振动信号；

5、柔性耦合模块，包括柔性耦合杆和真空吸盘，用于将所述超声振动模块产生的振动传递至压电式雨量计面板，并避免机械接触对面板的磨损；

6、信号采集与处理模块，用于采集压电式雨量计输出的电信号，并对信号进行滤波、放大和模数转换处理；

7、信号控制模块，用于存储标准振动参数与电信号的映射关系，对比采集到的实测电信号与标准电信号的偏差，并动态调整超声振动模块的振动参数；以及

8、供电模块，用于为各模块提供电能。

9、其中，所述超声振动模块包括超声发生器和超声换能器；所述超声发生器的工作频率为50-800hz连续可调，频率精度为±0.1hz，输出功率为0.5-10w可调，支持正弦波和方波两种振动波形；所述超声换能器采用压电陶瓷材质，振动振幅为0.01-10μm步进可调。

10、其中，所述柔性耦合杆采用碳纤维增强硅胶材质，杆体两端分别通过螺纹与超声换能器、真空吸盘连接；所述真空吸盘采用丁腈橡胶材质，吸盘顶部设单向排气阀，通过手动按压排出空气产生负压，将耦合杆固定在雨量计面板中心。

11、其中，所述信号采集与处理模块与压电式雨量计的信号输出端连接，支持差分信号采集，包括低通滤波器和仪表放大器，用于将雨量计输出的微弱电信号放大至标准信号，并采用高精度ad转换器将模拟信号转化为数字信号传输至信号控制模块。

12、其中，所述信号控制模块包含微控制器，内置浮点运算单元与神经网络加速单元，支持本地运行轻量级ai模型；内置预设好的雨强-振动参数-标准电信号映射库，并通过usb接口对新增工况进行更新。

13、其中，所述供电模块内置大容量锂电池，支持连续校准8小时以上，配备usb-c快充接口与太阳能充电接口。

14、本发明提供了一种压电式雨量计校准方法，采用本发明所述的压电式雨量计校准装置，包括以下步骤：

15、根据预设的雨强与振动参数的对应关系，通过超声振动模块输出与目标雨强匹配的标准振动，使压电式雨量计产生振动响应并输出实测电信号；

16、从信号控制模块的映射库中调出该振动参数对应的标准电信号，与信号采集与处理模块获取的实测电信号进行比对，计算两者的偏差；

17、通过针对压电式雨量计校准场景定制的轻量化ai算法，根据所述偏差计算能抵消该偏差的校准系数；以及

18、将所述校准系数写入压电式雨量计的主控单元，用于修正后续测量输出的降雨量数据。

19、其中，所述偏差为实测电信号与标准电信号的差值占标准电信号的百分比；所述校准系数等于一除以一减去所述百分比所得的差。

20、其中，所属轻量化ai算法采用基于梯度下降优化的bp神经网络，构建振动激励-信号采集-偏差计算-参数调整的控制回路；所述算法以超声振动参数和雨量计实测电信号为输入，输出参数调整量即校准系数，确保采集电信号与标准电信号的偏差在预设阈值内。

21、本发明还提供了一种压电式雨量计校准系统，包括本发明压电式雨量计校准装置和云端数据平台，所述校准装置通过rs485接口与待校准压电式雨量计的主控单元连接，用于采集电信号并写入校准系数；所述校准装置内置无线通信模块，将校准数据加密上传至云端数据平台；所述云端数据平台提供数据存储、数据分析、设备管理功能，并支持与气象水文监测网络对接。

22、有益效果

23、1.本发明通过超声振动模块与柔性耦合模块的协同工作，实现了对雨量计面板的非接触式振动激励。柔性耦合杆采用碳纤维增强硅胶材质，配合真空吸盘的负压吸附，既保证了振动能量的高效无衰减传递，又避免了传统机械敲击或接触式校准对面板造成的磨损和损伤，显著延长了雨量计的使用寿命，尤其适用于频繁校准的野外现场环境。

24、2.本发明中的超声振动模块能够产生覆盖0.1-200mm/h全雨强范围的高频正弦振动，从毛毛细雨到特大暴雨均可模拟，工作频率50-800hz连续可调、振幅0.01-10μm步进可调，适配现有压电式雨量计的全部测量范围，解决了传统校准方法无法覆盖极端降雨场景的技术难题，提升了校准装置的通用性和适应性。

25、3.本发明具备优异的便携性和现场快速校准能力。供电模块内置大容量锂电池并支持太阳能充电，单次校准耗时不超过5分钟，可由单人携带至野外偏远站点完成校准。装置无需拆卸待校准设备、无需等待自然降雨、无需依赖实验室模拟降雨大厅，彻底解决了传统校准方式周期长、流程繁琐、影响设备连续工作的问题，实现了实时、高效、精准的现场校准。

26、4.本发明通过信号控制模块内置的雨强-振动参数-标准电信号映射库以及轻量级ai模型，实现了闭环动态参数调整。控制模块将采集的实测电信号与标准电信号进行比对，计算偏差后自动修正振动参数或生成校准系数，无需依赖云端算力即可在现场完成高精度校准，校准偏差可控制在±2%以内，显著提升了校准的自动化水平和精度。

27、5.本发明采用基于梯度下降优化的bp神经网络算法构建控制回路，以超声振动参数和雨量计实测电信号为输入，动态输出参数调整量即校准系数。该算法能够自适应不同型号雨量计的非线性响应特性，确保在多次迭代后快速收敛至合格偏差范围内，同时自动生成包含校准时间、工况参数、偏差值、综合校准系数的校准日志，便于数据追溯和质量控制。

28、6.本发明提供的校准系统将便携式校准装置与云端数据平台相结合，通过rs485接口和无线通信模块实现校准数据的加密上传与远程管理。云端数据平台提供数据存储、分析、设备远程监控以及校准日志批量管理功能，能够与气象水文等监测网络无缝对接，实现雨量计校准状态与监测数据的联动分析，满足计量校准的规范化要求，适用于拥有多个野外站点的雨量计校准网络的大规模部署和集中运维。