压电式雨量计与翻斗式雨量计误差分析摘要

本文章介绍了压电雨量计和翻斗式雨量计的组成、构造以及探测降雨的原理。分析了不同雨量传感器产生误差的原因。

分析发现测量误差主要有两个方面：一方面由仪器本身的性能差异和不可避免的故障导致测量误差，另一方面是降水强度变化和自然条件产生的影响造成的误差。文章阐述了不同雨量传感器的测试方法，并为降水的准确观测提供技术参考。

关键字：降水量;RS485输出;ASCLL协议;DT50采集器.

1. 压电式雨量计与翻斗式雨量计误差分析概述

目前降雨量的监测方法有虹吸式、翻斗式、光学式、压电式等多种原理；本文章将对翻斗式雨量传感器与压电式雨量传感器从测量原理、数据分析、性能差异等多方面进行对比分析；为用户后期设备选型提供参考

2. 压电式雨量计与翻斗式雨量计的构造及探测降水原理

2.1翻斗雨量计的构成及原理

图1 翻斗式雨量计结构

翻斗式雨量计是机械双稳态称重结构，在工作时，有雨量计上层的承雨口接收降水，左右两个翻斗轮流位于漏斗下方承接雨水。当雨水大于蓄水量（0.1mm）时，则翻斗翻转，漏斗位于另一个翻斗下方承接降水，以此往复计量雨量。翻斗式雨量计工作时，当翻斗翻转的时候，上翻斗应该停止进水，并快速降水清空，下翻斗迅速地转换为上翻斗承接雨水。但实际翻转过程中，漏斗依然会进水，再翻转过程中造成测量误差。

2.2压电雨量传感器的组成及原理

图2 压电式雨量计

富奥通科技（北京）有限公司的PRS-02压电式雨量计是由传感器顶盖、外壳和底座航插组成的，壳体内部有陶瓷压电片和电路板组成，安装在外径是50mm的立柱上。传感器原理采用的是冲击测量原理，先对单个的雨滴重量进行测算，进而计算持续降雨量。雨滴在降落的过程中受到雨滴重量和空气阻力的作用，降落到达地面时速度为恒定速度V，雨滴的动量为P=MV=M(Vr+Vw)。式中，M是雨滴质量 ，Vr是垂向雨滴终速 ，Vw 是垂向风速。根据冲量定理，雨滴的动量将被传感器元件的冲击力所代替。在冲击力作用下，压电式雨量计的壳体产生机械振动，陶瓷压电片将振动信号转换为电信号输出。因此通过采集压电片输出信号的峰值电压来计算相应的雨滴尺寸和体积。

3. 压电式雨量计与翻斗式雨量计测试方法

3.1雨量筒传感器的测试方法

图3 翻斗式雨量计实物图

SL-3翻斗式雨量计的每次翻转动作通过干簧管转换成脉冲信号（1脉冲=0.1mm雨量），本次测试使用了DT50采集器的PWM采集方法，采集SL-3翻斗式雨量计，累计降水量采用了R=0.01x算法。式中，R是降雨量，0.01是配置算法系数，x是DT50采集器采集的脉冲信号。通过DT50采集器的无线传输功能将数据转发到服务器平台。

3.2压电式雨量计的测试方法

图4 压电式雨量计实物图

富奥通科技（北京）有限公司的PRS-02压电式雨量计通过RS485输出，兼容ASCLL协议和Modbus协议，可通过串口直观的查看降水量数据。为了方便雨天实时观察降雨量变化，使用DT50采集器将PRS-02压电式雨量测试的降水量数据传到服务器平台。

3.3室外测试数据对比

图5  7月11-12日降水量

图6  7月27日降水量

图7  8月24日降水量

图8  8月28日降水量

4.测量值误差分析

4.1翻斗式雨量计误差分析及改进措施

（1）翻斗式雨量计误差分析

理想情况下，翻斗翻动是很灵活的，但实际上由于转轴的摩擦加上漏斗沾水或泥沙、昆虫等都会影响翻斗的翻转。

大雨时由于翻斗的惯性使得翻斗来不及翻转将一部分雨量流失，也使测量的降水量有很大的误差，甚至记录失真。虽然翻斗的分辨率很高（0.1mm），翻转一次误差很小，但一次降水过程中因翻转次数多而累积起来的误差也很大。

当然在使用中，翻斗式雨量计离地近，容易被振动而产生数值。

此外，传感器上的部件受外界干扰而产生无降水也有信号的现象，或筒口有异物堵塞时产生有降水而无信号的现象都是翻斗式雨量计存在的问题。

（2）翻斗式雨量计改进措施

通过误差分析，调整了翻斗感量，减小翻斗倾角，使翻斗动态误差减小。增加翻斗式雨量计承雨器器口面积，使仪器测量精度提高。配备采集器、显示屏、记录装置等通过软件修正。

4.2压电式雨量计误差分析及改进措施

（1）压电式雨量计误差分析

压电式雨量计较翻斗式雨量计有一定的优势，精确度能达到0.01mm；抗干扰能力也较翻斗式雨量计强。

理论上压电式雨量传感器只需要防止电磁干扰。但在实际使用中，降雨量受环境（风、环境、杂物）等因素的影响产生误差。

压电式雨量计在实际测量中，由于边界效应，在大雨强情况下，雨强可以定性但在定量方面测量精度产生偏差。对于极小雨强在信号噪声干扰下，也易出现测量精度偏差。

（2）压电式雨量计改进措施

通过误差分析，采用了适度增加传感器受力面积，优化压电感片贴合技术，增加补偿，减小边界效应对单个雨滴的测量影响。根据雨强采用不同放大倍数，经滤波电路处理，去除高频噪声信号及低频纹波的信号干扰。

5.雨量传感器优缺点

5.1翻斗式雨量计的优缺点

翻斗式雨量计自动化程度高，获取降水量的及时性强，降水量信号数字化易于保存和传输，数据准确可靠，抗干扰能力强。有明确的技术规范要求，每年进行雨量标定。

缺点是野外安装对观测环境要求高，雨量数据有延时，要加强日常维护，防止雨量桶堵塞。

5.2压电式雨量计优缺点

压电式雨量计将所有元件集成于外壳之中，无任何外露部件，杜绝了树叶、尘土、虫子等杂物对数据准确性的影响。灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等，长

时间使用无需人工现场清理。缺点是对安装环境要求较高，模拟信号易受电磁信号干扰。

6.结语

综上所述，精确的降水测量对于水资源利用、灾害预警和环境评估等方面都有着重要意义，高质量的降水资料可以为气象、水文、国土等部门计算、分析、使用提供可靠依据，不同雨量计的误差问题会直接影响降水资料的可用性。

在使用中应根据不同区域、不同使用要求、不同使用环境进行对雨量计的选择。当然，随着探测技术的发展，不同的雨量计可靠性还会进行改进。

7.参考文献

[1]蔺潇.基于压电技术的降雨测量方法研究[D].导师：朱力强.北京交通大学,2019.

[2]陈凯,方海涛,沈玉亮.翻斗式、压电式雨量计测量原理及误差分析[J].科学技术创新,2020(30):10-11.

[3]温晓辉,马修才,张晨亮,郑树芳.压电式降水传感器与翻斗式雨量传感器比对研究[J].自动化应用,2021,(11):38-40+45

[4]马召伟. DZZ5型生态气象自动观测站使用与维护[J]. 内蒙古科技与经济,2022(5):83-84,161.