調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置，包括模擬降水粒子單元和降水粒子控制單元，模擬降水粒子單元由一組與真實降水粒子透射性質(zhì)一致的降水粒子貼片組成，模擬降水粒子貼片取自于不同大小的雨滴、不同形狀的雪花和冰雹等形成的圖像；降水粒子控制單元包括微控制器、底座平臺、支架、旋轉(zhuǎn)軸臂、步進電機、透明盤，步進電機帶動透明盤繞旋轉(zhuǎn)軸臂旋轉(zhuǎn)、繞旋轉(zhuǎn)軸臂由支架支承；模擬降水粒子單元固定在透明盤上，在步進電機的帶動下以可調(diào)節(jié)的一定速度旋轉(zhuǎn)，降水粒子的運動速度由降水粒子的位置和透明盤旋轉(zhuǎn)速度決定。本發(fā)明能夠模擬并精確控制不同類型降水粒子的形狀、尺度和速度，為檢驗光學(xué)降水傳感器的性能和精度提供可靠依據(jù)。
【專利說明】調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可模擬真實降水粒子微物理特征的調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置，主要用于氣象自動化測量的標(biāo)定中，為降水粒子微物理特征測量提供一個標(biāo)準的、可控的、與真實降水相一致的參考環(huán)境。
【背景技術(shù)】
[0002]氣象學(xué)中對降水現(xiàn)象的描述可以分為宏觀量和微觀量兩種，其中降水量、降水強度、降水時數(shù)及其時空分布屬于宏觀量，降水粒子的大小、形狀、速度、相態(tài)、構(gòu)成、譜分布等屬于微觀量。準確觀測降水的宏觀量和微觀量，對于氣象科學(xué)研究、災(zāi)害性降水監(jiān)測與預(yù)警、人工影響天氣、土壤侵蝕和山體滑坡等有著重要的意義。
[0003]降水特征量的標(biāo)準裝置是檢驗降水測量儀器準確度、保證測量精度的重要基礎(chǔ)，因此其精度必須高于降水測量儀器的精度。目前，流量式標(biāo)準雨量檢定裝置是對翻斗式雨量計、稱重式雨量計等電子式雨量傳感器進行檢定的主要裝置，利用先進的步進電機精確控制活塞進行抽水和放水，但只能控制水流的總量和流速，而無法控制雨滴的大小和速度，不具備對光學(xué)降水傳感器定標(biāo)的能力。對于降水微觀量，目前大多采用與雨滴性質(zhì)相近的玻璃球模擬降水粒子，但不能模擬速度。德國的二維灰度光電陣列探測器(2D-GreyOptical Array Probe)采用將電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)透明玻璃盤，玻璃盤上固定72個位置放置不透明圓點來對粒子圖像的尺度及其速度進行定標(biāo)，但是最大直徑僅有0.5mm，不能覆蓋全尺度降水粒子；瑞士的降水粒子速度與形狀探測器(Hydrometeor Velocity and ShapeDetector)采用類似原理，利用電機驅(qū)動塑膠玻璃盤，某一位置固定一透明條，其上有一實心球，這兩種方法均只能模擬圓球，而無法模擬其他形狀和透明度的降水粒子。目前國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的Joss-Waldvogel雨滴譜儀、OTT PARSIVEL激光雨滴譜儀等均沒有模擬標(biāo)準裝置。目前尚沒有能夠模擬真實降水粒子的尺度、速度及其譜分布的標(biāo)準裝置，是導(dǎo)致雨滴譜儀測量精度難以判斷的主要原因。
[0004]隨著天氣雷達地面標(biāo)定、人工影響天氣作業(yè)評估、強降水監(jiān)測與預(yù)警等方面對降水微物理特征的需求不斷增加，各種雨滴譜儀廣泛應(yīng)用于氣象、水文等領(lǐng)域。但是難以評估多種儀器對降水微物理特征的測量一致性和準確性，迫切需要能夠模擬真實降水粒子的形狀、尺度、速度及其譜分布等微物理特征的降水粒子標(biāo)準裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種能夠模擬真實降水粒子的形狀、尺度、速度等微物理特征的調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置，為降水粒子微物理特征的測量提供標(biāo)準參考。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:包括模擬降水粒子單元和降水粒子控制單元，模擬降水粒子單元由一組與真實降水粒子透射性質(zhì)一致的模擬降水粒子貼片組成，模擬降水粒子貼片取自于不同大小的雨滴、不同形狀的雪花和冰雹等形成的圖像；降水粒子控制單元包括微控制器、底座平臺、支架、旋轉(zhuǎn)軸臂、步進電機、透明盤，步進電機帶動透明盤繞旋轉(zhuǎn)軸臂旋轉(zhuǎn)、繞旋轉(zhuǎn)軸臂由支架支承；模擬降水粒子單元固定在透明盤上，在步進電機的帶動下以可調(diào)節(jié)的一定速度旋轉(zhuǎn)，降水粒子的運動速度由降水粒子的位置和透明盤旋轉(zhuǎn)速度決定。模擬降水粒子固定在透明盤上，在步進電機的帶動下以可調(diào)節(jié)的一定速度旋轉(zhuǎn)，降水粒子的運動速度由降水粒子的位置和旋轉(zhuǎn)速度決定，此外，降水粒子的形狀和尺度由模擬降水粒子單元決定，從而綜合實現(xiàn)對降水粒子的形狀、尺度、速度等微物理特征的精確模擬和控制。光學(xué)降水測量儀器的定標(biāo)時直接以模擬降水粒子單元的模擬降水粒子貼片給出的圖像為準。
[0007]如圖1所示。其中核心部件是與真實降水性質(zhì)相一致的模擬降水粒子單元。模擬降水粒子具有不同的大小和形狀，將其固定到透明盤的不同位置，在步進電機的帶動下以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，降水粒子的位置和旋轉(zhuǎn)速度決定了降水粒子的運動速度。通過選擇不同大小、不同形狀和不同密度的降水粒子，可以實現(xiàn)對真實降水粒子的尺度、形狀、密度、速度等微物理特征的模擬與控制。
[0008]進一步的，模擬降水粒子貼片不僅限于透明圓球，更包括不同大小、不同形狀、不同透明度的雨滴、雪花、冰雹等復(fù)雜類型降水粒子。
[0009]進一步的，模擬降水粒子的尺度介于0.1mm?IOmm之間，可以固定在透明盤任意位置，精確控制模擬降水粒子的位置。
[0010]進一步的，步進電機的轉(zhuǎn)速由微控制器發(fā)出的脈沖驅(qū)動信號控制，帶動透明盤和模擬降水粒子傳動，精確控制模擬降水粒子的切線速度。
[0011]進一步的，支架底部置于平行基座軌道上，在基座軌道內(nèi)自由滑動，可精確控制模擬降水粒子在采樣空間內(nèi)的水平位置。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:為光學(xué)降水測量儀器的定標(biāo)提供降水粒子標(biāo)準裝置，在進行定標(biāo)和測試時，能夠模擬并精確控制不同類型降水粒子的形狀、尺度和速度，為檢驗光學(xué)降水傳感器的性能和精度提供可靠依據(jù)。該裝置操作簡便、硬件成本低、控制精度高、實用性強、便于推廣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明旋轉(zhuǎn)調(diào)速式降水粒子標(biāo)準裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是模擬降水粒子圖像范例圖，圖中a、b、c分別表示球形雨滴、變形雨滴和雪花。
【具體實施方式】
[0015]參見圖1，1.微控制器；2.底座平臺；3.滑軌；4.支架；5.步進電機；6.旋轉(zhuǎn)軸臂；
7.透明盤；8.模擬降水粒子；9.固定軸臂；10.支架；11.滑軌；12.底座平臺。
[0016]調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置包括微控制器1，微控制器與步進電機5連接，控制其轉(zhuǎn)速，模擬降水粒子8固定到透明盤7任意位置，降水粒子的位置和轉(zhuǎn)速決定了降水粒子的切線速度。
[0017]微控制器I通過輸出一定頻率的脈沖信號，通過發(fā)出的脈沖驅(qū)動信號精確控制步進電機5的轉(zhuǎn)動速度和加速度。[0018]滑軌3、11為液壓滑軌，長度為50厘米，支架4可以在滑軌上自由滑動，根據(jù)測試需要進行位移調(diào)整。
[0019]支架4、10自由升降式支架，根據(jù)測試儀器的不同高度進行調(diào)整。
[0020]旋轉(zhuǎn)軸臂5、9可以自由伸縮，根據(jù)測試需要在采樣空間內(nèi)左右移動。
[0021]透明盤7是一個透過率很高的透明圓盤，其中心與旋轉(zhuǎn)軸臂6固定，隨步進電機5的轉(zhuǎn)動進行旋轉(zhuǎn)。
[0022]參見圖2，a、b、c分別表示球形雨滴21、變形雨滴22和雪花23。
[0023]模擬降水粒子包括球形雨滴21、變形雨滴22和復(fù)雜形狀雪花23分別具有不同的尺度、透明度和形狀，分別對應(yīng)于實際降水粒子特性相一致的尺度、透明程度和形狀。
[0024]在進行儀器測試和定標(biāo)時，具體實施步驟如下:
[0025]I)分別設(shè)置不同形狀、不同大小和不同透明度的降水粒子。
[0026]2)將調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置放置于略高于被測傳感器(如光學(xué)傳感器的鏡頭，圖像由CCD或CMOS光電圖像采集器接收)位置，透明盤穿過傳感器采樣區(qū)域；
[0027]3)選擇某一降水粒子，將其固定在透明盤某一位置；
[0028]4)通過計算機終端控制微控制器，輸出某一頻率的脈沖信號；
[0029]5)開啟電源和被測傳感器，使被控降水粒子穿過采用區(qū)域；
[0030]6)根據(jù)粒子距轉(zhuǎn)軸位置和轉(zhuǎn)速計算得到降水粒子的速度；
[0031]7)分別設(shè)置降水粒子的不同位置、大小、形狀和透明度，重復(fù)步驟(3 — 6)，對光學(xué)降水傳感器進行定標(biāo)和測試。
[0032]雖然上述說明描述了完整的實施例，但并不限于上述舉例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在本發(fā)明的實質(zhì)范圍，做出的變型、修改或替換，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置，其特征在于:包括模擬降水粒子單元和降水粒子控制單元，模擬降水粒子單元由一組與真實降水粒子透射性質(zhì)一致的降水粒子貼片組成，模擬降水粒子貼片取自于不同大小的雨滴、不同形狀的雪花和冰雹等形成的圖像；降水粒子控制單元包括微控制器、底座平臺、支架、旋轉(zhuǎn)軸臂、步進電機、透明盤，步進電機帶動透明盤繞旋轉(zhuǎn)軸臂旋轉(zhuǎn)、繞旋轉(zhuǎn)軸臂由支架支承；模擬降水粒子單元固定在透明盤上，在步進電機的帶動下以可調(diào)節(jié)的一定速度旋轉(zhuǎn)，降水粒子的運動速度由降水粒子的位置和透明盤旋轉(zhuǎn)速度決定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置，其特征在于:通過選擇模擬降水粒子單元不同大小、不同形狀和不同密度的降水粒子貼片，實現(xiàn)對真實降水粒子的尺度、形狀、密度、速度等微物理特征的模擬與控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置，其特征在于:模擬降水粒子圖像包括圓球，不同大小、不同形狀、不同透明度的雨滴、雪花、冰雹等復(fù)雜類型降水粒子圖像。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置，其特征在于:模擬降水粒子圖像的尺度介于0.1mm?IOmm之間，固定在透明盤任意位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置，其特征在于:步進電機的轉(zhuǎn)速由微控制器發(fā)出的脈沖驅(qū)動信號控制，帶動透明盤和模擬降水粒子傳動，精確控制模擬降水粒子的切線速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準裝置，其特征在于:支架底部置于平行基座軌道上，在基座軌道內(nèi)自由滑動，可精確控制模擬降水粒子在采樣空間內(nèi)的水平位置。
【文檔編號】G01W1/18GK103439759SQ201310330819
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月31日
【發(fā)明者】劉西川, 高太長, 劉磊, 趙世軍, 翟東力 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)