一种基于压电和光学技术的吹雪探测装置

1.本实用新型属于气象探测仪器领域，涉及一种基于压电和光学技术的吹雪探测装置。


背景技术：

2.吹雪是由强风将地面积雪卷起，而引起能见度降低的一种天气现象。在冬季，吹雪引起的能见度降低影响着飞机的起降、汽车行驶，甚至产生严重的交通隐患。吹雪对能见度的影响极为复杂，不仅与地面的积雪厚度有关，还与积雪的含水量、风向风速、地形有关。因此，研制一种可以实现同时观测吹雪强度与能见度的探测仪具有重要意义。
3.目前，气象观测中以测量降雪的雪深、雪压为主，其风速以及其对能见度的影响仅用于科学研究，且国内的观测结果较少。然而对于中国北方山区、以及东北部的大风区，即使降雪量较少，由大风和直径较小的雪粒子引起的能见度降低现象，以及降雪在空间上的迁移对局地降水量的影响，都是气象领域关心的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种基于压电和光学技术的吹雪探测装置，基于不同运动速度和方向的吹雪对于弹性金属膜片的压力不同，以及不同强度降水粒子对于红外光的消光程度不同的原理，用于专门探测吹雪的速度和能见度。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
5.一种基于压电和光学技术的吹雪探测装置，包括：沿x向相对设置的第一探测仪和第四探测仪、沿y向相对设置第二探测仪和第三探测仪；所述第一探测仪、第二探测仪、第四探测仪和第三探测仪依次设置且位于同一平面内；所述第一探测仪、第二探测仪、第四探测仪和第三探测仪的外端围成一外圈，所述第一探测仪、第二探测仪、第四探测仪和第三探测仪的内端围成一内圈；
6.所述第一探测仪和第二探测仪的结构相同，所述第三探测仪和第四探测仪的结构相同；
7.所述第一探测仪包括用于感知风速大小的压电模块和红外线发射模块；所述第四探测仪包括感知风速大小的压电模块和红外线接收模块；第四探测仪的红外线接收模块接收所述第一探测仪的红外线发射模块发出的红外线；第三探测仪的红外线接收模块接收所述第二探测仪的红外线发射模块发出的红外线；
8.所述第一探测仪、第二探测仪、第四探测仪和第三探测仪的压电模块均朝向所述外圈设置；所述第一探测仪的红外线发射模块、第二探测仪的红外线发射模块、第四探测仪的红外线接收模块和第三探测仪的红外线接收模块均朝向所述内圈设置。
9.优选地，所述第一探测仪包括一筒体，所述第一探测仪的压电模块和红外线发射模块均设置于所述筒体内；
10.所述第一探测仪的压电模块包括一固定于筒体内的压电支撑板，所述压电支撑板
上固定若干压电陶瓷柱，所有所述压电陶瓷柱的感应端均固定于同一弹性金属薄膜的一侧面上，所述弹性金属薄膜的另一侧面伸出所述筒体并朝向所述外圈设置；所有所述压电陶瓷柱均与一测量电路模块连接；
11.雪粒击打造成所述弹性金属薄膜产生形变，所述压电陶瓷柱用于检测压力变化并产生相应信号，所述测量电路模块将压电陶瓷柱产生的信号转化为数字信号。
12.优选地，所述第一探测仪还包括一供电模块，所述供电模块与所述测量电路模块连接。
13.优选地，所述第一探测仪的红外线发射模块包括：
14.光学支撑板，固定于所述第一探测仪的筒体；
15.通光管，固定于所述光学支撑板并沿第一探测仪的筒体轴向设置，所述通光管的内壁上卡设一柱面凸透镜；
16.所述通光管朝向外圈的一端卡设一红外线单元，所述红外线单元与第一探测仪的供电模块连接；所述红外线单元为一近红外点光源，所述通光管朝向内圈的一端安装一光学窗口。
17.优选地，所述第四探测仪的红外线接收模块与第一探测仪的红外线发射模块的结构相同，所述第四探测仪的红外线单元为一红外线阵探测器。
18.优选地，所述第四探测仪的压电模块与第一探测仪的压电模块，结构相同。
19.优选地，所述第一探测仪、第二探测仪、第四探测仪和第三探测仪的外壁均各自固定于一仪器支架，所有所述仪器支架均固定于同一仪器支撑架。
20.与现有技术相比，本实用新型的优点为：
21.1）基于压电和光学技术，通过测量雪粒子引起的压电陶瓷电压的变化来估算吹雪强度（风速大小），同时通过测量吹雪引起的消光强度得出吹雪的能见度，实现吹雪现象多参数的一体化同步观测。
22.2）采用了多个微型传感器（探测仪）的集合，使得体积紧凑、易于安装，同时功耗很低，可外接光伏电池等非连续供电设备，安装在天气条件较为恶劣的北方山区、风雪较大地区。
23.3）能够实现吹雪以及气象多参数的连续实时综合观测，效率高，对科学研究及气象业务应用均能起到推动作用。
附图说明
24.图1为本实用新型一实施例的基于压电和光学技术的吹雪探测装置的结构图；
25.图2为图1中第一探测仪的剖视图；
26.图3为图1中第四探测仪的剖视图；
27.图4为吹雪探测装置采样区域示意图。
28.其中，1-第一探测仪，2-第二探测仪，3-第三探测仪，4-第四探测仪，5-仪器支架，6-仪器支撑架，7-底座，8-弹性金属薄膜，9-压电陶瓷柱，10-压电支撑板，11-测量电路模块，12-供电模块，13-筒体，14-近红外点光源，15-柱面凸透镜，16-光学支撑板，17-通光管，18-出射光线，19-光学窗口，20-红外线阵探测器，21-入射光线，22-采样区域，23-风向。
具体实施方式
29.下面将结合示意图对本实用新型进行更详细的描述，其中表示了本实用新型的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本实用新型，而仍然实现本实用新型的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本实用新型的限制。
30.如图1~4，一种基于压电和光学技术的吹雪探测装置，包括：沿x向相对设置的第一探测仪1和第四探测仪4、沿y向相对设置第二探测仪2和第三探测仪3。第一探测仪1、第二探测仪2、第四探测仪4和第三探测仪3依次设置且位于同一平面内；第一探测仪1、第二探测仪2、第四探测仪4和第三探测仪3的外端围成一外圈，第一探测仪1、第二探测仪2、第四探测仪4和第三探测仪3的内端围成一内圈。
31.在本实施例中，第一探测仪1、第二探测仪2、第四探测仪4和第三探测仪3的外壁均各自固定于一仪器支架5，所有仪器支架5均固定于同一仪器支撑架6，仪器支撑架6安装于底座7。
32.其中，第一探测仪1和第二探测仪2的结构相同，第三探测仪3和第四探测仪4的结构相同。
33.第一探测仪1包括用于感知风速大小的压电模块和红外线发射模块；第四探测仪4包括感知风速大小的压电模块和红外线接收模块；第四探测仪4的红外线接收模块接收第一探测仪1的红外线发射模块发出的红外线；第三探测仪3的红外线接收模块接收第二探测仪2的红外线发射模块发出的红外线。
34.第一探测仪1、第二探测仪2、第四探测仪4和第三探测仪3的压电模块均朝向外圈设置；第一探测仪1的红外线发射模块、第二探测仪2的红外线发射模块、第四探测仪4的红外线接收模块和第三探测仪3的红外线接收模块均朝向内圈设置。
35.具体的，第一探测仪1包括筒体13、压电模块、红外线发射模块、供电模块12和测量电路模块11。第一探测仪1的压电模块和红外线发射模块均设置于筒体13内。
36.第一探测仪1的压电模块包括一固定于筒体13内的压电支撑板10，压电支撑板10上固定若干压电陶瓷柱9，所有压电陶瓷柱9的感应端均固定于同一弹性金属薄膜8的一侧面上，弹性金属薄膜8的另一侧面伸出筒体13并朝向外圈设置；所有压电陶瓷柱9均与测量电路模块11连接；供电模块12与测量电路模块11连接。由现有技术可知：压电陶瓷柱是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。
37.雪粒击打造成弹性金属薄膜8产生形变，压电陶瓷柱9用于检测压力变化并产生相应信号，测量电路模块11将压电陶瓷柱9产生的信号转化为数字信号。
38.第一探测仪1的红外线发射模块包括：光学支撑板16、通光管17、红外线单元和光学窗口19。
39.光学支撑板16，固定于第一探测仪1的筒体13。
40.通光管17，其外壁固定于光学支撑板16，沿第一探测仪1的筒体13轴向设置，通光管17的内壁上卡设一柱面凸透镜15。
41.通光管17朝向外圈的一端卡设一红外线单元，红外线单元与第一探测仪1的供电模块12连接；红外线单元为一近红外点光源14，通光管17朝向内圈的一端安装一光学窗口19。
42.具体的，柱面凸透镜15将近红外点光源14发射的红外光由带遮光环的通光管17从光学窗口19射出，即出射光线18。其中，近红外点光源14设置于柱面凸透镜15一倍焦距处，目的是将发散光变为平行光。遮光环的目的是消除平行通道以外的杂散光，提高平行光束的质量及准直度。
43.第四探测仪4（第三探测仪3）的红外线接收模块与第一探测仪1的红外线发射模块的结构相同，第四探测仪4（第三探测仪3）的红外线单元为一红外线阵探测器20。第四探测仪4（第三探测仪3）的压电模块与第一探测仪1的压电模块，结构相同。即将第一探测仪1的近红外点光源14替换为红外线阵探测器20，即形成第四探测仪4（第三探测仪3）。第四探测仪4（第三探测仪3）的红外线接收模块用于获取被削弱的红外光辐亮度，即入射光线21。
44.如图4所示，该吹雪探测装置的微物理参数采样区域中，第一探测仪1、第二探测仪2用于发出红外线，第四探测仪4、第三探测仪3用于接收红外线（被削弱的红外光辐亮度），采样区域为阴影部分所示。第三探测仪3接收由第二探测仪2发射的平行光，第四探测仪4接收由第一探测仪1发射的平行光，
45.该吹雪探测装置的工作原理：
46.（1）当有吹雪现象时，该风向23的风将风将雪粒吹起，击打各探测仪朝外放置的弹性金属薄膜8。薄膜形变产生的弹性势能将转化为机械能传递给压电陶瓷柱9，引起其电学性质发生变化，最终体现为电信号，即电压的变化（由测量电路模块11获取）。因而电压的变化与弹性金属薄膜8的形变程度有关，电压变化的大小也反映了风速的大小（根据实验数据可查阅电压变化与风速大小之间的关系）。两组相互垂直的传感器组（第一探测仪1和第四探测仪4为一组传感器组，第二探测仪2和第三探测仪3为一组传感器组）的测量结果求矢量之和就是实际风速（吹雪的速度）的大小、方向。具体的，如图4所示，第一探测仪1和第三探测仪3的测量结果求矢量之和就是实际风速（吹雪的速度）的大小、方向。
47.（2）近红外点光源14发出的红外线经过柱面凸透镜15的作用会聚为平行光，红外光线的强度和穿透力增强、稳定性增加。然后由带有遮光环的通光管17传递至光学窗口19，最终发出红外光线。
48.近红外点光源14发出的红外光线穿透少量外界空气介质、吹雪后，被对应的红外线阵探测器20所接收。红外线阵探测器20表面的光电二极管把红外光脉冲信号变成电脉冲信号。电脉冲信号由导线传输，经过感应电流处理器的放大作用、带通滤波器的频率选择，滤除干扰信号作用，经过分析元件去除修订误差所得值即为探测到的最终辐亮度。根据能见度计算公式通过消光系数（现有技术）即可求得能见度。如图4所示，可最终求出两个方向的能见度，最终求均值。
49.上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。