一种基于压电技术的车载雨量探测系统

1.本实用新型涉及一种基于压电技术的车载雨量探测系统，属于气象探测技术与汽车技术的交叉结合领域。


背景技术：

2.在气象学中将雨量定义为在一定时段内，在无渗透、蒸发、流失的情况下，降落到水平面的雨水深度。我国的主要地区都处于大陆性季风气候，降水的主要来源是夏季风，在偏南风盛行的夏半年5-9月份会发生较多的降水现象，尤其是东部沿海地区年平均降水量超过800毫米。降雨的测量是气象观测的重要环节，与人们日常生活息息相关，准确地测量降水，是保证人们生产生活安全可行的一个重要前提。每年因降雨造成人们生命财产损失较为严重。因此加强对降雨的监测极为重要。
3.目前国内外常见的测量降雨的方法主要有一下几类：承水法、雷达微波法和卫星遥感法。
4.1）承水法：先用一个承雨器皿来收集雨水，再利用雨水的容积、重量、压力、导电特性、介电性能随降水而变化的特性来测量降水量，常见的基于承水法的雨量测量设备有雨量筒和各类雨量计。虹吸式雨量计是国内气象领域广泛采用的自记式雨量计。中国专利cn213240568u公开了一种吸式雨量计，但是这种雨量计不能实现自动测量与数据处理，另外虹吸管清理较为不便，有杂质混进后易造成虹吸堵塞，而且系统误差也比较大。中国专利cn212301945u公开了一种翻斗式雨量计，这种翻斗式雨量计由雨量感应器以及相应的信号记录器组成，其中感应器的主要结构有承水器、计量翻斗、干簧开关等；记录器则为翻斗机械翻转的感应传感器。但是翻斗雨量计的翻斗容量有限，当雨量较大时，翻斗式雨量计的误差会随增，所以翻斗式雨量计不适合精准的暴雨测量。中国专利cn112198561a公开了一种翻斗式雨量计，由于其机械结构较为复杂，长期与降水接触容易引起机械部件锈蚀等情况，从而加大翻斗的运动阻力并影响计量精度。
5.2）雷达微波法：中国专利cn110488393a公开了一种利用双偏振多普勒雷达能探测云和降水的微物理结构的方法，如降水粒子的大小、形状、相态变化和空间取向的信息，通过雷达波波谱功率估算可以用来定量估测降水强度和降雨量等信息.
6.3）卫星遥感法：中国专利cn107918166a公开了利用气象卫星的可见光和红外云图来监测降水的方法，可获得大范围空间、一致性好的降水信息。但这种测量方法对于小范围实时降雨测量来说，空间分辨率和时间分辨率还不够高。另外，这些设备也不具备降雨微观特征的测量能力，不能满足气象测量精细化的发展需求。


技术实现要素：

7.本实用新型为了解决现有技术中存在的问题，提供一种降雨强度进行实时测量，来保证交通出行的安全性和实效性的基于压电技术的车载雨量测量系统。
8.为了达到上述目的，本实用新型提出的技术方案为：一种基于压电技术的车载雨
量探测系统，包括雨量计，所述雨量计包括底座、保护外壳、电信号放大模块、原电信号处理模块、a/d转换模块、薄金属板、压电陶瓷片和电信号接收模块，所述底座固定于车辆顶部，所述保护外壳设置于底座上方；所述薄金属板、压电陶瓷片和电信号接收模块均设置于保护外壳内，所述薄金属板固定于保护外壳的顶部，所述压电陶瓷片紧贴于薄金属板下表面，所述电信号接收模块设置于压电陶瓷片下方，且通过导线与压电陶瓷片连接；所述电信号放大模块、原电信号处理模块和a/d转换模块均设置于底座内，所述电信号放大模块和原电信号处理模块分别通过一屏蔽导线与电信号接收模块连接，且分别通过一导线与a/d转换模块连接。
9.对上述技术方案的进一步设计为：所述底座和保护外壳之间设有连接杆，所述连接杆下端与底座固定连接，上端通过转轴与保护外壳铰接。
10.所述保护外壳与转轴固定连接，连接杆与转轴转动连接。
11.所述底座上设有电机和主动轮，所述转轴上固定有从动轮，所述电机输出轴与主动轮传动连接，主动轮通过传动带与从动轮传动连接。
12.所述探测系统还包括风速计，所述风速计包括风速计保护外壳、风速计薄金属板、风速计压电陶瓷片、风速计电信号接收模块和峰值电压处理器，所述风速计保护外壳固定在车辆侧面，所述风速计薄金属板设置于风速计保护外壳顶部，风速计压电陶瓷片、风速计电信号接收模块和峰值电压处理器均设置于风速计保护外壳内，所述风速计压电陶瓷片紧贴于风速计薄金属板底部，并通过导线与风速计电信号接收模块连接，所述电信号接收模块通过导线与峰值电压处理器连接。
13.本实用新型的有益效果为：
14.本实用新型的基于压电技术的车载雨量探测系统属于接触的车载测量设备，通过对雨水降落所产生的振动进行信号分析，可较为精准对降雨强度进行测量；且能够对降雨强度进行实时测量，能够为机动车驾驶司机实时反馈信息，极大提高雨天出行的安全性。
15.本实用新型的基于压电技术的车载雨量探测仪具有体积较小、便于安装维护的优点，同时该雨量探测仪运行功率低，数据处理速率快的特点，设配于各种类型车辆。
附图说明
16.图1为本实用新型实施例中雨量计结构示意图；
17.图2为本实用新型实施例中风速计结构示意图；
18.图3为本实用新型的基于压电技术的车载雨量探测系统的初始状态示意图；
19.图4本实用新型的基于压电技术的车载雨量探测系统的运行状态示意图；
20.图5本实用新型基于压电技术的车载雨量测量系统的数据处理流程。
21.1为薄金属板，2为压电陶瓷片，3为保护外壳，4为电信号接收模块，5为从动齿轮，6为第一屏蔽导线，7为第二屏蔽导线，8为传动带，9为主动齿轮，10为电机，11为电信号放大模块，12为原电信号处理模块，13为a/d转换模块，14为底座，15为风速计薄金属板，16为风速计压电陶瓷片，17为风速计电信号接收模块，18为峰值电压处理模块，19为风速计保护外壳，20为风速计底座，21为车顶基于压电技术的车载雨量测量计，22为车左侧基于压电技术的车载风速计，23为车右侧基于压电技术的车载雨量风速计，24为汽车模型，25为转轴，26为连接杆。
具体实施方式
22.下面结合附图以及具体实施例对本实用新型进行详细说明。
实施例
23.本实施例的基于压电技术的车载雨量探测系统包括设置于车辆顶部的雨量计和分别设置于车辆两侧的风速计。
24.如图1所示，雨量计包括为薄金属板1、压电陶瓷片2、保护外壳3、电信号接收模块4、电信号放大模块11、原电信号处理模块12、a/d转换模块13和底座14。
25.压电陶瓷片2和电信号接收模块4设置于保护外壳3内，电信号放大模块11、原电信号处理模块12和a/d转换模块13设置于底座14内，保护外壳位于底座14上方，整个雨量计通过底座14固定在车辆顶部。
26.薄金属板1固定在保护外壳3顶部且位于压电陶瓷片2的上部，防止外力冲击和雨水对紧密元件的侵蚀，实现对整个装置的保护，同时起到对雨水降落产生振动传导的作用。压电陶瓷片2紧贴于薄金属板1的下表面，接收薄金属板1所传导的振动而产生微小形变。电信号接收装置4通过导线连接于压电陶瓷片2的下部，对其产生的微小形变进行信号处理，将压电陶瓷片所反馈的电信号分成两路信号进行传输，一路电信号通过第一屏蔽导线6，传输到电信号放大模块11进行放大处理，去除信号中的高频噪声信号和低频纹波干扰信号，另一路电信号通过第二屏蔽导线7，传输到原电信号处理模块12，用于对比分析。最后将两路电信号汇合于a/d转换模块13，将电信号转化为数字信号，对峰值电压进行分析。
27.本实施例在底座14和保护外壳3之间通过连接杆26连接，连接杆26下端与底座14固定连接，上端通过转轴25与保护外壳3铰接，保护外壳3与转轴25固定连接，连接杆26与转轴25转动连接。
28.底座14上设置有电机10和主动轮9，主动轮9与电机输出轴传动连接，转轴25上固定有从动轮5，主动轮9与从动轮5之间通过传动带8传动连接，电机10输出动力，带动主动轮9转动，同时主动轮9通过传动带8将动力输送至从动轮5，从而从动轮5带动保护外壳3随不同的车速而转动对应的倾角，以保证雨滴降落的速度始终与用于传感的薄金属板1保持垂直，避免因汽车行驶过程中因车速变化而带来雨滴与汽车之间水平方向相对速度的影响，增大数据的准确性。
29.如图2所示，风速计结构中，风速计薄金属板15固定于风速计压电陶瓷片16的顶部，防止外力冲击和雨水对紧密元件的侵蚀，实现对整个装置的保护。风速计压电陶瓷片16紧贴于风速计薄金属板15的下表面，接收风速计薄金属板15所传导的振动而产生微小形变。风速计信号接收模块17通过导线连接于风速计压电陶瓷片16的下部，对其产生的微小形变进行信号处理，峰值电压处理器18通过导线与风速计信号接收模块17连接，并对风速计信号接收模块17分析得出的峰值电压进行分析。风速计压电陶瓷片16、风速计信号接收模块17和峰值电压处理器18均位于风速计保护外壳19内，风速计保护外壳19固定于风速计底座20之上，风速计通过风速计底座20固定在车辆侧面。
30.车顶的基于压电技术的车载雨量测量计21装配于汽车模型顶部，用于对降雨强度的情况进行探测。车左侧基于压电技术的车载风速计22和车右侧基于压电技术23分别安装于汽车模型24的左右后视镜的上方，用于对汽车行驶过程中侧向风进行监测，在数据修订
时用于排除侧向风对雨量探测的影响。
31.如图3、图4所示，本发明基于压电技术的车载雨量测量系统初始状态保持水平，在汽车启动后本发明基于压电技术的车载雨量测量系统的车顶车载雨量测量计上部传感面，会根据汽车行驶速度的大小调节倾角，使传感面能始终和雨滴降落的速度保持垂直，能够有效避免因相对速度而产生的误差。
32.如图5所示，本实施例的基于压电技术的车载雨量测量系统，先通过车侧的压电式风速计对汽车行驶过程中的侧向风进行监测，获取侧向风速、风向参数，然后根据不同的车速，调整雨量计的上部结构转动对应的倾角，以保证雨滴降落的速度始终与传感器保持垂直，避免因汽车行驶过程中因车速变化而带来雨滴与汽车之间水平方向相对速度的影响，增大数据的准确性；当雨滴降落在该传感器上时，雨滴的动量会转化为冲量，从而对薄金属片产生作用力，使得薄金属片发生形变。
33.本实施例的基于压电技术的车载雨量探测系统较大范围的安装后，利用互联网大数据技术，能够构建高分辨率降水监测网络，为气象和公共服务提供数据基础；且该雨量探测系统成本低、自适应能力强，运行稳定、数据精准，能够较好的服务大众。
34.本实施例的基于压电技术的车载雨量探测系统的工作原理为：
35.根据动力学中的动量守恒原理可得：
36.（1）
37.我们通常忽略数值较小的垂直风速得：
38.（2）
39.根据质量与体积的关系得：
40.（3）
41.根据雨滴的理论终速计算公式，可得雨滴的终速为：
42.（4）
43.步骤四，贴合在薄金属片上的压电陶瓷也会因形变发生振动，使得其表面产生了相应的电荷，改变了其导电性能。
44.压电传感器的峰值电压：
45.（5）
46.步骤五，不同强度的雨量所产生的冲击力不同，振幅的情况也不同，传感器输出的峰值信号也不同。我们利用这种压电效应通过分析该车载压电式雨量计的峰值电压的，可以得出降雨强度的大小。综上可得：
47.（6）
48.其中m为雨滴的质量，v0为雨滴降落的速度，v
t
为风的垂直速度可以忽略不记，ρ为雨水的密度，d
eq
为雨滴的有效粒径，c为传感器灵敏度，um为峰值电压。
49.本实用新型的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本实用新型要求保护的范围内。