壓電式雨量計與翻斗式雨量計誤差分析摘要
本文章介紹了壓電雨量計和翻斗式雨量計的組成、構造以及探測降雨的原理。分析了不同雨量傳感器產生誤差的原因。
分析發現測量誤差主要有兩個方面：一方面由儀器本身的性能差異和不可避免的故障導致測量誤差，另一方面是降水強度變化和自然條件產生的影響造成的誤差。文章闡述了不同雨量傳感器的測試方法，并為降水的準確觀測提供技術參考。
關鍵字：降水量;RS485輸出;ASCLL協議;DT50采集器.
目前降雨量的監測方法有虹吸式、翻斗式、光學式、壓電式等多種原理；本文章將對翻斗式雨量傳感器與壓電式雨量傳感器從測量原理、數據分析、性能差異等多方面進行對比分析；為用戶后期設備選型提供參考
2.1翻斗雨量計的構成及原理
圖1 翻斗式雨量計結構
翻斗式雨量計是機械雙穩態稱重結構，在工作時，有雨量計上層的承雨口接收降水，左右兩個翻斗輪流位于漏斗下方承接雨水。當雨水大于蓄水量（0.1mm）時，則翻斗翻轉，漏斗位于另一個翻斗下方承接降水，以此往復計量雨量。翻斗式雨量計工作時，當翻斗翻轉的時候，上翻斗應該停止進水，并快速降水清空，下翻斗迅速地轉換為上翻斗承接雨水。但實際翻轉過程中，漏斗依然會進水，再翻轉過程中造成測量誤差。
圖2 壓電式雨量計
富奧通科技（北京）有限公司的PRS-02壓電式雨量計是由傳感器頂蓋、外殼和底座航插組成的，殼體內部有陶瓷壓電片和電路板組成，安裝在外徑是50mm的立柱上。傳感器原理采用的是沖擊測量原理，先對單個的雨滴重量進行測算，進而計算持續降雨量。雨滴在降落的過程中受到雨滴重量和空氣阻力的作用，降落到達地面時速度為恒定速度V，雨滴的動量為P=MV=M(Vr+Vw)。式中，M是雨滴質量 ，Vr是垂向雨滴終速 ，Vw 是垂向風速。根據沖量定理，雨滴的動量將被傳感器元件的沖擊力所代替。在沖擊力作用下，壓電式雨量計的殼體產生機械振動，陶瓷壓電片將振動信號轉換為電信號輸出。因此通過采集壓電片輸出信號的峰值電壓來計算相應的雨滴尺寸和體積。
3. 壓電式雨量計與翻斗式雨量計測試方法
3.1雨量筒傳感器的測試方法
圖3 翻斗式雨量計實物圖
SL-3翻斗式雨量計的每次翻轉動作通過干簧管轉換成脈沖信號（1脈沖=0.1mm雨量），本次測試使用了DT50采集器的PWM采集方法，采集SL-3翻斗式雨量計，累計降水量采用了R=0.01x算法。式中，R是降雨量，0.01是配置算法系數，x是DT50采集器采集的脈沖信號。通過DT50采集器的無線傳輸功能將數據轉發到服務器平臺。
3.2壓電式雨量計的測試方法
圖4 壓電式雨量計實物圖
富奧通科技（北京）有限公司的PRS-02壓電式雨量計通過RS485輸出，兼容ASCLL協議和Modbus協議，可通過串口直觀的查看降水量數據。為了方便雨天實時觀察降雨量變化，使用DT50采集器將PRS-02壓電式雨量測試的降水量數據傳到服務器平臺。
3.3室外測試數據對比
圖5 7月11-12日降水量
圖6 7月27日降水量
圖7 8月24日降水量
圖8 8月28日降水量
（1）翻斗式雨量計誤差分析
理想情況下，翻斗翻動是很靈活的，但實際上由于轉軸的摩擦加上漏斗沾水或泥沙、昆蟲等都會影響翻斗的翻轉。
大雨時由于翻斗的慣性使得翻斗來不及翻轉將一部分雨量流失，也使測量的降水量有很大的誤差，甚至記錄失真。雖然翻斗的分辨率很高（0.1mm），翻轉一次誤差很小，但一次降水過程中因翻轉次數多而累積起來的誤差也很大。
當然在使用中，翻斗式雨量計離地近，容易被振動而產生數值。
此外，傳感器上的部件受外界干擾而產生無降水也有信號的現象，或筒口有異物堵塞時產生有降水而無信號的現象都是翻斗式雨量計存在的問題。
（2）翻斗式雨量計改進措施
通過誤差分析，調整了翻斗感量，減小翻斗傾角，使翻斗動態誤差減小。增加翻斗式雨量計承雨器器口面積，使儀器測量精度提高。配備采集器、顯示屏、記錄裝置等通過軟件修正。
4.2壓電式雨量計誤差分析及改進措施
（1）壓電式雨量計誤差分析
壓電式雨量計較翻斗式雨量計有一定的優勢，精確度能達到0.01mm；抗干擾能力也較翻斗式雨量計強。
理論上壓電式雨量傳感器只需要防止電磁干擾。但在實際使用中，降雨量受環境（風、環境、雜物）等因素的影響產生誤差。
壓電式雨量計在實際測量中，由于邊界效應，在大雨強情況下，雨強可以定性但在定量方面測量精度產生偏差。對于極小雨強在信號噪聲干擾下，也易出現測量精度偏差。
（2）壓電式雨量計改進措施
通過誤差分析，采用了適度增加傳感器受力面積，優化壓電感片貼合技術，增加補償，減小邊界效應對單個雨滴的測量影響。根據雨強采用不同放大倍數，經濾波電路處理，去除高頻噪聲信號及低頻紋波的信號干擾。
翻斗式雨量計自動化程度高，獲取降水量的及時性強，降水量信號數字化易于保存和傳輸，數據準確可靠，抗干擾能力強。有明確的技術規范要求，每年進行雨量標定。
缺點是野外安裝對觀測環境要求高，雨量數據有延時，要加強日常維護，防止雨量桶堵塞。
5.2壓電式雨量計優缺點
壓電式雨量計將所有元件集成于外殼之中，無任何外露部件，杜絕了樹葉、塵土、蟲子等雜物對數據準確性的影響。靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等，長
時間使用無需人工現場清理。缺點是對安裝環境要求較高，模擬信號易受電磁信號干擾。
綜上所述，精確的降水測量對于水資源利用、災害預警和環境評估等方面都有著重要意義，高質量的降水資料可以為氣象、水文、國土等部門計算、分析、使用提供可靠依據，不同雨量計的誤差問題會直接影響降水資料的可用性。
在使用中應根據不同區域、不同使用要求、不同使用環境進行對雨量計的選擇。當然，隨著探測技術的發展，不同的雨量計可靠性還會進行改進。
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