關(guān)鍵詞：稱重式降水傳感器；現(xiàn)場校準(zhǔn)；氣象裝備維護(hù)

中圖分類號：P412.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）11-0012-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.003

Design of On-Site Testing Software for Weighing Precipitation Sensors

WANG Tanshuai YU Chuanyang SONG Bo （Liaocheng Meteorological Bureau，Liaocheng 252OoO， China）

Abstract：[Purposes] In order to improve the detection eficiency of the weighing precipitation sensor，a test software was developed in this study.This software is used to support business personnel in conducting on-site testing work using standard weights.[Methods] The system was developed based on the hybrid programming architecture of C# and Python.The C# serialPort component was utilized for sensor data acquisition and device control， while the Python openpyxl library was employed to creat an automated test certificate generation module，forming a comprehensive on-site testing solution.[Findings] Field testing and validation at multiple national meteorological stations in Liaocheng City confirmed that all functional indicators ofthe system meet on-site testing requirements，with a data communication success rate of 100% .[Conclusions] The system is compatible with the on-site testing requirements of the weighing precipitation sensors of the DSC1 and DSC2 series，and has the functions of sensor debugging and fault diagnosis.Practical applications demonstrate that this solution significantly has significantly improved the quality control level of meteorological observation operations，technical support efficiency， and equipment maintenance effectiveness，providing effctive technical support for the construction of an intelligent meteorological equipment maintenance system.

Keywords： weighing precipitation sensor; on-site calibration; meteorological equipment maintenance

0 引言

稱重式降水傳感器是一種適用于固態(tài)、液態(tài)及混合態(tài)降水測量的全自動(dòng)觀測儀器，可實(shí)現(xiàn)降水總量與強(qiáng)度的全天候監(jiān)測，尤其在冬季降雪觀測中有效提升了數(shù)據(jù)精度與時(shí)效性。市氣象局目前共有1個(gè)國家基準(zhǔn)氣候站、7個(gè)國家基本氣象站及124個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站。其中，國家基準(zhǔn)氣候站和國家基本氣象站均配備了稱重式降水傳感器，而區(qū)域自動(dòng)氣象站中也有5個(gè)臺站配置了稱重式降水傳感器。上述臺站的稱重式降水傳感器型號均為DSC1型或DSC2型，市國家級臺站實(shí)現(xiàn)降水全天候自動(dòng)觀測。DSC1和DSC2型傳感器既可獨(dú)立運(yùn)行，亦可作為核心組件接人自動(dòng)氣象站系統(tǒng)。然而，傳感器長期暴露于復(fù)雜氣象環(huán)境中，機(jī)械磨損、電子元件老化、傳感器污染等問題可能導(dǎo)致測量值漂移。根據(jù)《地面氣象自動(dòng)觀測規(guī)范（第一版）》要求，須每年進(jìn)行一次現(xiàn)場校準(zhǔn)以確保觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性[2]?？锊涞萚3設(shè)計(jì)了具有校準(zhǔn)功能的能見度儀現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件，并利用系統(tǒng)對海南省多個(gè)臺站的能見度儀進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。同時(shí)，該軟件也可用于設(shè)備故障檢測；魏邦憲等4以DSC3型稱重式降水傳感器為例，依據(jù)其結(jié)構(gòu)及工作原理，向收集容器注入不同水位，控制流量模擬不同雨強(qiáng)，從而對稱重式降水傳感器進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)；陳國強(qiáng)等5提出了采用質(zhì)量塊稱重對稱重式降水傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，并對該方法進(jìn)行了現(xiàn)場測試及校準(zhǔn)結(jié)論的檢驗(yàn)。

傳統(tǒng)的校準(zhǔn)流程依賴SSCOM串口助手等通用工具，需手動(dòng)配置通信參數(shù)（如波特率、校驗(yàn)位等）、逐條輸入校準(zhǔn)指令并人工解析數(shù)據(jù)，存在操作步驟煩瑣、學(xué)習(xí)成本高、易引入人為誤差等問題。針對上述問題，本研究基于C#和Python語言開發(fā)了一套集成化稱重式降水傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載法，通過指令自動(dòng)發(fā)送、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解析及證書一鍵生成功能，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)流程的標(biāo)準(zhǔn)化與智能化，為地市級氣象計(jì)量業(yè)務(wù)提供了高效的技術(shù)支撐。

換為電信號；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)對稱重單元數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并計(jì)算；通信模塊則支持RS232/485接口與脈沖信號，可靈活適配不同型號的自動(dòng)氣象站采集器。

1.2稱重式降水傳感器原理

稱重式降水傳感器通過測量落到盛水桶中降水的質(zhì)量，根據(jù)水的密度換算成降水的體積，再根據(jù)承水口面積計(jì)算出盛水桶中收集的降水量[]。DSC1型傳感器采用壓力應(yīng)變稱重技術(shù)，表面基于電阻應(yīng)變技術(shù)。通過外力作用導(dǎo)致敏感梁彈性變形，使表面電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生線性變化，經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換為電信號后計(jì)算質(zhì)量值。DSC2型傳感器基于振弦技術(shù)，通過弦絲振動(dòng)頻率與載荷的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合預(yù)設(shè)公式直接計(jì)算降水量。

1.3稱重式降水傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)前進(jìn)行傳感器外觀質(zhì)量檢驗(yàn)，采用目視檢測法對設(shè)備表面完整性及標(biāo)識系統(tǒng)進(jìn)行核查。其中包括傳感器外殼無結(jié)構(gòu)性損傷、各部件裝配穩(wěn)固無松動(dòng)、銘牌標(biāo)識（型號、唯一性編號、生產(chǎn)廠家）字跡清晰可辨識，所有檢測結(jié)果均須完整記錄于專用表格中。針對承水口內(nèi)徑關(guān)鍵參數(shù)，本研究使用精度 0.02mm 的游標(biāo)卡尺進(jìn)行內(nèi)徑測量。分別在承水口互成 120^° 的三個(gè)位置測量其內(nèi)徑，取三次測量算術(shù)平均值作為最終結(jié)果（保留小數(shù)點(diǎn)后一位）。

市使用的稱重式降水傳感器型號為DSC1和DSC2兩種，本研究共設(shè)置了8個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，分別為10mm，30mm，200mm，210mm，230mm，370mm. 380mm?400mm 。校準(zhǔn)實(shí)施采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載法，通過質(zhì)量一降水量轉(zhuǎn)換公式，實(shí)現(xiàn)不同降水量的精確模擬。

1稱重式降水傳感器簡介

1.1稱重式降水傳感器結(jié)構(gòu)組成

DSC1、DSC2型稱重式降水傳感器主要由稱重單元、處理單元及外圍組件構(gòu)成，如圖1所示。其中，稱重單元為核心測量部件，負(fù)責(zé)將機(jī)械載荷轉(zhuǎn)

2現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1數(shù)據(jù)通信接口配置

DSC1、DSC2型稱重式降水傳感器均采用RS232通信協(xié)議，傳感器內(nèi)部采集器預(yù)留RS232九針接口。校準(zhǔn)過程中通過RS232交叉線和USB轉(zhuǎn)

RS232串口線，即可連接筆記本電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，傳感器和計(jì)算機(jī)接線如圖2所示。

2.2串口通信參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)基于VisualStudio2022平臺開發(fā)，利用C#語言進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，并調(diào)用SerialPort組件實(shí)現(xiàn)串口通信，使用GetPortNames方法自動(dòng)識別串口號。DSC1、DSC2型傳感器通信參數(shù)均默認(rèn)為9600波特率、8位數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)位、1位停止位，系統(tǒng)在初始化時(shí)自動(dòng)加載上述參數(shù)，用戶僅需選擇對應(yīng)串口號并點(diǎn)擊“連接”按鈕即可建立通信鏈路。

2.3校準(zhǔn)命令發(fā)送與數(shù)據(jù)解析

校準(zhǔn)命令的發(fā)送通過事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)。用戶點(diǎn)擊GUI界面功能按鈕后，系統(tǒng)將指令文本寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并通過SerialPort.Write（方法發(fā)送至傳感器，點(diǎn)擊“DMPR\"按鈕即可實(shí)現(xiàn)“DMPR\"命令的發(fā)送，具體如圖3所示。為保障指令傳輸?shù)目煽啃裕織l指令末尾附加回車換行符 ，確保傳感器能夠正確解析指令內(nèi)容。

計(jì)算器在接收傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)通過DataRe-ceived事件異步接收，系統(tǒng)調(diào)用SerialPort.ReadEx-isting（方法讀取緩沖區(qū)內(nèi)的原始字符串?dāng)?shù)據(jù)，利用空格將字符串分割為數(shù)組，并從數(shù)據(jù)中提取相關(guān)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)重量或頻率值到降水量的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

2.4校準(zhǔn)證書生成模塊

證書生成模塊基于Python的openpyxl庫開發(fā)，通過動(dòng)態(tài)讀寫Excel模板實(shí)現(xiàn)以下功能。從配置文件中加載標(biāo)準(zhǔn)器信息（如砝碼編號、檢定日期）；自動(dòng)填充傳感器型號、臺站區(qū)站號；將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)按預(yù)設(shè)格式寫人表格，并計(jì)算示值誤差與重復(fù)性指標(biāo)；生成PDF格式證書，文件名遵循特定規(guī)則，確保檔案管理規(guī)范性。

3校準(zhǔn)方式對比與效能分析

傳統(tǒng)方法依賴SSCOM串口助手如圖4所示，其操作流程存在顯著局限性。首先，計(jì)量業(yè)務(wù)人員需在每次校準(zhǔn)前手動(dòng)配置波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位及停止位等通信參數(shù)，并逐一選擇串口號；其次，需在放置砝碼后人工輸入“DMPR”等校準(zhǔn)指令，隨后將傳感器返回的串口數(shù)據(jù)手動(dòng)復(fù)制至Excel表格進(jìn)行后續(xù)處理。該流程不僅要求操作人員熟練掌握不同型號稱重式降水傳感器的通信參數(shù)、命令返回值格式及硬件連接方式，還需頻繁進(jìn)行重復(fù)性操作。此類方法不僅學(xué)習(xí)門檻高，且存在工作量大、易因人為疏漏導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差等問題，嚴(yán)重制約了校準(zhǔn)效率與可靠性。

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)操作界面如圖5所示。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一鍵式操作，用戶僅需錄入核查環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)器等相關(guān)信息，并點(diǎn)擊功能按鈕，系統(tǒng)即可自動(dòng)完成通信配置、指令發(fā)送及數(shù)據(jù)解析，顯著提升工作效率。校準(zhǔn)完成后，系統(tǒng)自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)化證書。

4現(xiàn)場校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析

本研究利用標(biāo)準(zhǔn)砝碼模擬降水量對市6個(gè)臺站的稱重式降水傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)測試。經(jīng)測試，6個(gè)臺站的外觀和承水口內(nèi)徑均合格，且6個(gè)站的相對誤差平均值為 0.2% 。同時(shí)，在8個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差也均 ?4.0% 。其中 10mm 和 30mm 測試點(diǎn)的相對誤差最小，最大的相對誤差出現(xiàn)在冠縣站的370mm 和 380mm 測試點(diǎn)，詳細(xì)測試數(shù)據(jù)見表1。

5結(jié)語

利用本研究設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)系統(tǒng)對市多個(gè)國家級臺站的稱重式降水傳感器進(jìn)行現(xiàn)場測試，測試過程中業(yè)務(wù)人員反映該系統(tǒng)相較于之前的校準(zhǔn)方式更加方便快捷，不易出錯(cuò)。稱重式降水傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了稱重式降水傳感器的自動(dòng)化校準(zhǔn)，使計(jì)量業(yè)務(wù)人員在現(xiàn)場校準(zhǔn)的過程中免于手工輸入校準(zhǔn)命令和填寫校準(zhǔn)證書，縮短了校準(zhǔn)時(shí)間，提高了校準(zhǔn)準(zhǔn)確率。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可顯著降低校準(zhǔn)工作對人員經(jīng)驗(yàn)的依賴，未經(jīng)專項(xiàng)培訓(xùn)的技術(shù)人員經(jīng)1h培訓(xùn)后即可獨(dú)立操作。未來擬進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)功能，如增加無線通信模塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)回傳；集成人工智能算法，實(shí)現(xiàn)傳感器故障預(yù)診斷；適配更多型號傳感器，推動(dòng)氣象計(jì)量業(yè)務(wù)的全面智能化升級。

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