陳 凱 方海濤 沈玉亮

（安徽省大氣探測技術(shù)保障中心，安徽 合肥230031）

由于我國幅員遼闊，地形多變，降水主要對流雨、地形雨、鋒面雨、臺風雨幾種類型。

對于不同測量精度和應(yīng)用場景選擇不同測量原理的雨量計，就具有十分重要的意義。文章從測量原理、性能差異、降水強度、測量環(huán)境等因素進行誤差分析，進而為設(shè)備選型提供基礎(chǔ)性參考。

1 雨量計的技術(shù)原理

1.1 翻斗式雨量計

翻斗式雨量計由測量部件和雨軸承部件組成。計量部件由恒磁鋼、排水漏斗、信號輸出端子、控制線路板組成；承雨器部件由承雨口、飲水漏斗、翻斗、角調(diào)節(jié)裝置、水平調(diào)節(jié)裝置、干簧管等構(gòu)成。

工作原理為：其工作原理是:雨水從上承座進入貯水器，落入水漏斗，再通過漏斗口流入翻斗桶。

當蓄水量達到一定高度（如0.01mm）時，翻斗會失去平衡而翻倒。每次鏟斗被翻倒時，開關(guān)就連接到電路上，向記錄器發(fā)送一個脈沖信號。記錄器控制記錄器來記錄降雨，因此降雨過程可以持續(xù)測量。

1.2 壓電式雨量計

壓電式雨量計主要由所述感測元件測量降雨，所述感測元件由殼體和粘貼在殼體內(nèi)的壓電陶瓷片組成。

工作原理：雨滴落在傳感器上，作用在傳感器表面。在雨滴的沖擊激勵下，殼體會產(chǎn)生微小的機械振動。壓電陶瓷板在振動的機械應(yīng)力作用下，電極之間產(chǎn)生電壓差，并將電信號輸出到外界。雨滴沖擊的沖擊力越大，振動幅值越大，傳感器元件輸出電壓幅值越大。

該傳感器是通過采集壓電元件的輸出信號得到的，由高斯模型可用于在標準大氣條件下得到雨滴的垂直最終速度。雨滴下落的垂直動量為Mv=mVv=m（Vt+Vwv）

式中，m 是雨滴質(zhì)量，Vt 是垂向雨滴終速，Vwv 是垂向風速。對于等效直徑為D 的雨滴，雨滴質(zhì)量為m=πρD/6

ρ=1g/mm3為雨水的密度，忽略通常情況很小的垂向風速，垂直動量只與雨滴的質(zhì)量和下落終速有關(guān)Mv-mVt

根據(jù)沖量定理，雨滴的動量將被傳感器元件的沖擊力所代替。

在沖擊力作用下，傳感器殼體產(chǎn)生機械振動，壓電傳感器將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

每個雨滴對應(yīng)的輸出電壓信號為振幅呈指數(shù)衰減的正弦信號，輸出電壓在沖擊時刻達到最大值，峰值電壓為Um=cMv=cmVt=πρcD/6

式中c 是壓電傳感器的靈敏度，由壓電材料的壓電系數(shù)決定。雨滴終速Vt 是雨滴粒徑D 的正相關(guān)函數(shù)，因此通過采集各壓電材料輸出信號的峰值電壓來計算相應(yīng)的雨滴尺寸和體積，得到峰值電壓與雨滴尺寸的關(guān)系：Um=5.05ρc [1-exp(-0.53D)]D3（ρ、c 為常量）。

2 測量值誤差分析及改進措施

2.1 翻斗式雨量計誤差分析及改進措施

（1）翻斗式雨量計誤差分析

翻斗式雨量計測量雨量，由于結(jié)構(gòu)本身的缺陷，誤差主要由翻斗傾角偏大和翻斗轉(zhuǎn)動頻率引起的。

當然，在實際使用中，降水量受到環(huán)境（例如風、地形、蒸發(fā)等）因素的影響產(chǎn)生誤差。

翻斗式雨量計進行實際測量時，固定誤差（分辨力誤差和濕潤誤差）濕潤誤差是殘留的水珠和水膜沒有及時進入翻斗計量產(chǎn)生誤差，分辨力誤差是由于雨量較小，未能夠達到翻斗翻動最小值，產(chǎn)生有雨，但是雨量計無數(shù)值。翻斗式雨量計承水口口徑的面積，是影響儀器精度的因素之一。

（2）翻斗式雨量計的改進措施

通過誤差分析，可采用調(diào)整翻斗感量、減小翻斗傾角，縮短翻斗轉(zhuǎn)換時間、增大翻斗式雨量計的承雨口面積、表面涂抹特殊材質(zhì)等方法減小固有誤差，通過技術(shù)標定，提高翻斗式雨量計的傳感器測量精度。

2.2 壓電式雨量計誤差分析及改進措施

（1）壓電式雨量計誤差分析

壓電式雨量計測量雨量，由于結(jié)構(gòu)本身的缺陷，誤差主要由雨滴重疊跌落和信號噪聲干擾引起的。

當然，在實際使用中，降水量受到環(huán)境（例如風、地形、雜物等）因素的影響產(chǎn)生誤差。

壓電式雨量計在實際測量中，由于重疊邊界效應(yīng)，在大雨強情況下，雨強可以定性但在定量方面測量精度產(chǎn)生偏差偏差，對于極小雨強在信號噪聲干擾下，也易出現(xiàn)測量精度偏差。

（2）壓電式雨量計改進措施

通過誤差分析，可采用適度增加傳感器受力面積，優(yōu)化壓電感片貼合技術(shù)減小邊界效應(yīng)對單個雨滴的測量影響，設(shè)計兩路采集電路，采用不同放大倍數(shù)，經(jīng)濾波電路處理，去除高頻噪聲信號及低頻紋波的信號干擾。

3 翻斗式雨量計和壓電式雨量計優(yōu)缺點

3.1 翻斗式雨量計優(yōu)缺點

翻斗式雨量計自動化程度高，獲取降雨量的及時性強，降水量信號數(shù)字化，降水量資料準確可靠，有明確的技術(shù)規(guī)范要求，每年進行雨量標定。

缺點是野外安裝對觀測環(huán)境要求高，雨量數(shù)據(jù)有延時，要加強日常維護，防止雨量桶堵塞。

3.2 壓電式雨量計優(yōu)缺點

壓電式雨量計集成度高，量程大，最大可測量8mm/min 降水雨強，比翻斗式雨量計監(jiān)測量程大，能完成精確到秒的降水時長監(jiān)測，一體化封裝，野外安裝占地面積小，基本無需維護，缺點是信號由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信號損耗，無明確的技術(shù)規(guī)范要求，不能對設(shè)備進行標定，長期使用，無法確實數(shù)據(jù)真實可靠。雨量數(shù)據(jù)定性監(jiān)測較好，定量監(jiān)測數(shù)據(jù)不可靠。

綜上所述，精確的降水測量對于水資源利用、災(zāi)害預(yù)警和環(huán)境評估等方面有重要意義，高質(zhì)量的降水資料可以為氣象、水文、國土等部門計算、分析、使用提供可靠依據(jù)，不同雨量計的誤差問題會直接影響降水資料的可用性。

在使用中應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域、不同使用要求、不同使用環(huán)境來選擇雨量計，當然，隨著探測技術(shù)的發(fā)展，不同雨量計的數(shù)據(jù)可靠性還會進行改進。