李 佳， 張 弛， 王柏林

(1.中國華云氣象科技集團(tuán)公司，北京 100081； 2.華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司,北京 102299)

0 引 言

冰雹災(zāi)害是由強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)引起的一種劇烈的氣象災(zāi)害[1]。能夠準(zhǔn)確觀測冰雹出現(xiàn)的時(shí)間、強(qiáng)度變化等信息對(duì)天氣觀測、氣象服務(wù)有著至關(guān)重要的作用。近年來，中國氣象局面向全國建設(shè)降水天氣現(xiàn)象儀，推動(dòng)地面觀測朝著自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展[2～4]。

目前，國外用于冰雹觀測的傳感器有OSI的HIP—100以及Vaisala生產(chǎn)的WXT520。國內(nèi)在天氣現(xiàn)象系統(tǒng)中可觀測冰雹產(chǎn)品自主研發(fā)方面比較薄弱，以產(chǎn)品集成為主，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大，價(jià)格較為昂貴，增加了氣象觀測成本[5,6]。因此，自主研發(fā)能夠連續(xù)自動(dòng)觀測的冰雹傳感器對(duì)降低對(duì)進(jìn)口傳感器的依賴性，提高國家冰雹防災(zāi)救災(zāi)方面的能力有著重要的意義。

1 壓電陶瓷冰雹傳感器原理

在氣象領(lǐng)域主要是通過振動(dòng)原理和光學(xué)原理兩種技術(shù)途徑檢測冰雹天象。相比光學(xué)式冰雹傳感器，振動(dòng)式基于壓電陶瓷的冰雹傳感器，信號(hào)能量大，與雨滴等其他降水氣象現(xiàn)象具有明顯界限，判斷冰雹的條件更加充分。

本文設(shè)計(jì)的冰雹傳感器利用壓電陶瓷材料的正壓電效應(yīng)原理工作。壓電陶瓷敏感元件受到外力作用，表面上產(chǎn)生電荷，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換[7,8]。

壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)示意圖如圖1所示。壓電陶瓷材料經(jīng)過極化處理使與極化方向垂直的兩端出現(xiàn)束縛電荷，束縛電荷會(huì)使壓電陶瓷的兩個(gè)電極表面產(chǎn)生極性相反的自由電荷，壓電陶瓷敏感芯片呈電中性[9,10]。受到外界沖擊等因素后，壓電陶瓷材料發(fā)生形變，極化強(qiáng)度改變，使得上下表面的電勢(shì)改變，與表面接觸的兩電極上的部分自由電荷被釋放，電路中產(chǎn)生電荷運(yùn)動(dòng)[11]。另外基于壓電陶瓷的敏感材料輸出信號(hào)微弱，需要設(shè)計(jì)電荷放大器電路，將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

圖1 壓電效應(yīng)原理

2 傳感器感應(yīng)單元設(shè)計(jì)

感應(yīng)單元是傳感器測量信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，直接決定傳感器能否可靠有效測量冰雹信號(hào)。采集的信號(hào)還能夠通過處理有效區(qū)分其它天氣現(xiàn)象(主要是一定強(qiáng)度以上降水現(xiàn)象)[12]。

2.1 感應(yīng)鑼片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冰雹傳感器信號(hào)采集頂端采樣接觸面需要準(zhǔn)確完整接收冰雹沖擊產(chǎn)生的信號(hào)，同時(shí)在機(jī)械設(shè)計(jì)上要考慮傳感器材料的表面強(qiáng)度必需耐受冰雹沖擊，具有防腐蝕防塵防水的性能。

冰雹采樣接觸面設(shè)計(jì)上采用不銹鋼材質(zhì)(022Cr17Ni12Mo2)，曲面設(shè)計(jì)為正高斯曲率旋轉(zhuǎn)拋物面，厚度設(shè)計(jì)為曲率半徑的1/580。根據(jù)拋物面特性，傳感器采集頂端接觸面受到冰雹沖擊，法相加速度指向焦點(diǎn)，這樣保證信號(hào)一致性。下部內(nèi)凹設(shè)計(jì)，可以有效保護(hù)整個(gè)產(chǎn)品不受冰雹沖擊力損壞，同時(shí)避免了冰雹擊中非金屬鑼片導(dǎo)致信號(hào)不均的問題[13]。

為應(yīng)對(duì)無人值守野外環(huán)境，適應(yīng)各種極端復(fù)雜天氣現(xiàn)象和環(huán)境影響。在傳感器腔內(nèi)進(jìn)行了干擾屏蔽和防雷設(shè)計(jì)有效減弱了外界信號(hào)干擾，避免雷電對(duì)產(chǎn)品的損傷。適應(yīng)各種環(huán)境應(yīng)用，增強(qiáng)了生存能力。傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 冰雹傳感器結(jié)構(gòu)外觀

2.2 冰雹信號(hào)特征研究[14]

針對(duì)冰雹沖擊產(chǎn)生的信號(hào)，需要綜合考量壓電陶瓷的介電常數(shù)、壓電常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、彈性常數(shù)等因素。設(shè)計(jì)上以換能參數(shù)作為基本標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)電耦合系數(shù)為0.62，0.52，0.60的三種規(guī)格的傳感器芯片進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其壓電信號(hào)如圖3所示。

圖3 三種壓電陶瓷材料壓電特性

由測試數(shù)據(jù)可以得出，三種壓電陶瓷敏感芯片均能夠采集到冰雹沖擊信號(hào)。但是機(jī)電耦合系數(shù)為0.62的壓電陶瓷敏感芯片采集信號(hào)特征不明顯，容易與強(qiáng)降水信號(hào)混淆；機(jī)電耦合系數(shù)為0.52的芯片自身信號(hào)穩(wěn)定性較差，后續(xù)判定時(shí)容易發(fā)生誤判；而機(jī)電耦合系數(shù)為0.6的壓電陶瓷芯片采集測量的信號(hào)穩(wěn)定，包絡(luò)線清晰，響應(yīng)快，利于后續(xù)處理。

3 信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器信號(hào)系統(tǒng)部分主要實(shí)現(xiàn)前端信號(hào)預(yù)處理，信號(hào)調(diào)理。同時(shí)，為在設(shè)計(jì)上能夠適應(yīng)實(shí)際工作環(huán)境應(yīng)用，還需要對(duì)輸出接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多級(jí)放大濾波器處理前端模擬信號(hào)，有效避免大顆粒降水干擾;采用超擺幅比較器，測量的冰雹信號(hào)是一個(gè)冰雹撞擊鑼片時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)的包絡(luò)線，該包絡(luò)線包含了冰雹的獨(dú)特特征，用于計(jì)算冰雹數(shù)量；進(jìn)行了電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)，有效降低野外環(huán)境下各種頻率信號(hào)的干擾。傳感器工作流程如圖4所示。

圖4 冰雹傳感器工作流程

3.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

傳感器前端設(shè)計(jì)了基本信號(hào)調(diào)理，在一級(jí)濾波基礎(chǔ)上，因?yàn)樵诒_擊發(fā)生時(shí)，輸入電壓瞬間電壓能達(dá)到12.7 V，為保護(hù)信號(hào)調(diào)理電路,設(shè)計(jì)上增加了鉗位二極管，可以將前端輸入信號(hào)鉗位在安全的電壓范圍之內(nèi)。

對(duì)于其它較強(qiáng)的降水信號(hào)干擾，設(shè)計(jì)了多級(jí)信號(hào)調(diào)理電路且在信號(hào)調(diào)理的后端進(jìn)行多次濾波放大后，可區(qū)分較強(qiáng)降水信號(hào)，有效提高冰雹的采集精確度，同時(shí)可以減少雨的干擾。信號(hào)調(diào)理電路原理如圖5所示。

圖5 信號(hào)調(diào)理電路原理

調(diào)理部分運(yùn)放設(shè)計(jì)上選用封裝小、微功耗、軌至軌的運(yùn)算放大器。小封裝可以減小電路板的面積，超低的靜態(tài)工作電流可以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。在降低功耗的同時(shí)在需要達(dá)到350 kHz帶寬的情況下具有極高的速度/功率比。

3.2 信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)

信號(hào)采樣電路的核心通過超擺幅比較器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。通過分析壓電陶瓷的輸出信號(hào)，設(shè)計(jì)合理的電路參數(shù)，有效拾取冰雹信號(hào)，區(qū)分冰雹信號(hào)與其他信號(hào)特征，并將信號(hào)送入處理器進(jìn)行識(shí)別處理。信號(hào)采樣電路原理圖如圖6所示。

圖6 信號(hào)采樣電路原理

3.3 接口EMC設(shè)計(jì)

接口部分選用低壓高速RS—232收發(fā)器MAX3232。在3.0～5.5 V供電范圍內(nèi)，電流低至10 nA，速度高達(dá)1 MHz，本身可以提供±15 kV的ESD保護(hù)。通信接口上，設(shè)計(jì)了三端電容濾波器作為第一級(jí)EMI濾波，有效降低本機(jī)對(duì)外的電磁干擾同時(shí)阻止外界電磁干擾進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部;第二級(jí)電容可以濾除大部分低頻的噪聲干擾;第三級(jí)保護(hù)采用了NUP2105，提供雙向30 kV(IEC 61000—4—2 規(guī)范)350 W的瞬態(tài)保護(hù);第四級(jí)設(shè)計(jì)了匹配電阻可以消耗窄電壓脈沖的能量，提高芯片的抗干擾能力，同時(shí)還可以匹配阻抗，提高信號(hào)通信質(zhì)量。

3.4 EMC接口設(shè)計(jì)

接口部分選用美信公司的MAX3232芯片。該芯片是低壓高速RS—232收發(fā)器?？梢?.0～5.5 V供電，電流低至10 nA，速度高達(dá)1 MHz，本身可以提供±15kV的ESD保護(hù)。

對(duì)外的通信接口上，增加了一些額外的設(shè)計(jì)來抑制電磁干擾。接口處的三端電容濾波器是第一級(jí)EMI濾波，可以有效降低本機(jī)對(duì)外的電磁干擾,同時(shí)阻止外界電磁干擾進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部;第二級(jí)電容可以濾除大部分低頻的噪聲干擾;NUP2105是第三級(jí)保護(hù)，該TVS管提供雙向30 kV(IEC 61000—4—2規(guī)范)350 W的瞬態(tài)保護(hù);第四級(jí)電阻可以消耗部分窄電壓脈沖的能量，提供芯片的抗干擾能力，同時(shí)還可以匹配阻抗，提高信號(hào)通信質(zhì)量。接口電路EMC設(shè)計(jì)原理如圖7所示。

圖7 接口電路EMC設(shè)計(jì)原理

4 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

4.1 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備

設(shè)計(jì)了一臺(tái)符合氣象標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的冰雹模擬裝置，實(shí)驗(yàn)測試條件按照以6 m/s以上速度出射冰球，冰雹模擬裝置如圖8所示。

圖8 模擬實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)

4.2 模擬實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果

為完整驗(yàn)證設(shè)計(jì)的冰雹傳感器性能，實(shí)驗(yàn)分為2組，第一組實(shí)驗(yàn)通過模擬冰雹和降水，驗(yàn)證傳感器降水區(qū)分能力；第二組與應(yīng)用的國外傳感器比較，驗(yàn)證測量準(zhǔn)確程度。

在實(shí)驗(yàn)室條件下,模擬冰雹下落和雨滴下落的情況，對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行檢測，驗(yàn)證產(chǎn)品能夠檢測出冰雹的信號(hào)，同時(shí)能夠區(qū)分冰雹和雨滴信號(hào)。實(shí)驗(yàn)采用冰球撞擊來模擬冰雹下落，冰球直徑為28 mm，由模具凍成，采用加壓噴水的方式模擬強(qiáng)降水。第一組模擬實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示。從表1的實(shí)測結(jié)果可以看出：設(shè)計(jì)的壓電陶瓷冰雹傳感器能夠區(qū)分固態(tài)冰雹沖擊，并可以統(tǒng)計(jì)出冰雹的數(shù)量。

表1 數(shù)量檢測結(jié)果

第二組實(shí)驗(yàn)通過設(shè)計(jì)的冰雹傳感器與維薩拉公司的WXT520傳感器進(jìn)行了對(duì)比測試。對(duì)比測試情況如圖8所示，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的傳感器與維薩拉WXT520產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)。

表2 對(duì)比測試結(jié)果

5 結(jié)束語

基于壓電陶瓷的冰雹傳感器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量冰雹天氣現(xiàn)象，代替氣象站人工測量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量冰雹。該傳感器可單獨(dú)使用,判斷冰雹的發(fā)生、統(tǒng)計(jì)冰雹的數(shù)量；與多要素氣象站聯(lián)合應(yīng)用,有利于氣象綜合觀測以及防災(zāi)減災(zāi)。