压电陶瓷的冰雹传感器设计思考

更新时间:2022-07-04 11:29:36

压电陶瓷的冰雹传感器设计思考

摘要:针对气象业务在冰雹灾害天象自动观测方面问题,提出基于压电陶瓷的冰雹传感器。通过运行机理分析,设计了冰雹传感器结构。研究了冰雹信号调理方法,并研制了可自动检测冰雹发生、统计冰雹数量的冰雹传感器。本设计可以替代气象站人工进行冰雹测量。与多要素气象站联合应用,能够辅助判断降水类天气现象。对提高我国冰雹防灾救灾方面的能力有着重要的意义。

关键词:冰雹传感器;压电陶瓷;自动观测;气象观测

0引言

冰雹灾害是由强对流天气系统引起的一种剧烈的气象灾害[1]。能够准确观测冰雹出现的时间、强度变化等信息对天气观测、气象服务有着至关重要的作用。近年来,中国气象局面向全国建设降水天气现象仪,推动地面观测朝着自动化和智能化的方向发展[2~4]。目前,国外用于冰雹观测的传感器有OSI的HIP—100以及Vaisala生产的WXT520。国内在天气现象系统中可观测冰雹产品自主研发方面比较薄弱,以产品集成为主,技术风险较大,价格较为昂贵,增加了气象观测成本[5,6]。因此,自主研发能够连续自动观测的冰雹传感器对降低对进口传感器的依赖性,提高国家冰雹防灾救灾方面的能力有着重要的意义。

1压电陶瓷冰雹传感器原理

在气象领域主要是通过振动原理和光学原理两种技术途径检测冰雹天象。相比光学式冰雹传感器,振动式基于压电陶瓷的冰雹传感器,信号能量大,与雨滴等其他降水气象现象具有明显界限,判断冰雹的条件更加充分。本文设计的冰雹传感器利用压电陶瓷材料的正压电效应原理工作。压电陶瓷敏感元件受到外力作用,表面上产生电荷,实现了机械能到电能的转换[7,8]。压电陶瓷的正压电效应示意图如图1所示。压电陶瓷材料经过极化处理使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷,束缚电荷会使压电陶瓷的两个电极表面产生极性相反的自由电荷,压电陶瓷敏感芯片呈电中性[9,10]。受到外界冲击等因素后,压电陶瓷材料发生形变,极化强度改变,使得上下表面的电势改变,与表面接触的两电极上的部分自由电荷被释放,电路中产生电荷运动[11]。另外基于压电陶瓷的敏感材料输出信号微弱,需要设计电荷放大器电路,将电荷信号转换成电压信号,再进一步对信号进行处理。

2传感器感应单元设计

感应单元是传感器测量信号转换部分,直接决定传感器能否可靠有效测量冰雹信号。采集的信号还能够通过处理有效区分其它天气现象(主要是一定强度以上降水现象)[12]。

2.1感应锣片结构设计

冰雹传感器信号采集顶端采样接触面需要准确完整接收冰雹冲击产生的信号,同时在机械设计上要考虑传感器材料的表面强度必需耐受冰雹冲击,具有防腐蚀防尘防水的性能。冰雹采样接触面设计上采用不锈钢材质(022Cr17Ni12Mo2),曲面设计为正高斯曲率旋转抛物面,厚度设计为曲率半径的1/580。根据抛物面特性,传感器采集顶端接触面受到冰雹冲击,法相加速度指向焦点,这样保证信号一致性。下部内凹设计,可以有效保护整个产品不受冰雹冲击力损坏,同时避免了冰雹击中非金属锣片导致信号不均的问题[13]。为应对无人值守野外环境,适应各种极端复杂天气现象和环境影响。在传感器腔内进行了干扰屏蔽和防雷设计有效减弱了外界信号干扰,避免雷电对产品的损伤。适应各种环境应用,增强了生存能力。传感器结构如图2所示。

2.2冰雹信号特征研究

[14]针对冰雹冲击产生的信号,需要综合考量压电陶瓷的介电常数、压电常数、机械品质因数、弹性常数等因素。设计上以换能参数作为基本标准,对机电耦合系数为0.62,0.52,0.60的三种规格的传感器芯片进行试验验证,其压电信号如图3所示。由测试数据可以得出,三种压电陶瓷敏感芯片均能够采集到冰雹冲击信号。但是机电耦合系数为0.62的压电陶瓷敏感芯片采集信号特征不明显,容易与强降水信号混淆;机电耦合系数为0.52的芯片自身信号稳定性较差,后续判定时容易发生误判;而机电耦合系数为0.6的压电陶瓷芯片采集测量的信号稳定,包络线清晰,响应快,利于后续处理。

3信号处理系统设计

传感器信号系统部分主要实现前端信号预处理,信号调理。同时,为在设计上能够适应实际工作环境应用,还需要对输出接口进行设计。信号处理系统设计了多级放大滤波器处理前端模拟信号,有效避免大颗粒降水干扰;采用超摆幅比较器,测量的冰雹信号是一个冰雹撞击锣片时产生的电信号的包络线,该包络线包含了冰雹的独特特征,用于计算冰雹数量;进行了电磁兼容(EMC)设计,有效降低野外环境下各种频率信号的干扰。传感器工作流程如图4所示。

3.1信号调理电路设计

传感器前端设计了基本信号调理,在一级滤波基础上,因为在冰雹冲击发生时,输入电压瞬间电压能达到12.7V,为保护信号调理电路,设计上增加了钳位二极管,可以将前端输入信号钳位在安全的电压范围之内。对于其它较强的降水信号干扰,设计了多级信号调理电路且在信号调理的后端进行多次滤波放大后,可区分较强降水信号,有效提高冰雹的采集精确度,同时可以减少雨的干扰。信号调理电路原理如图5所示。调理部分运放设计上选用封装小、微功耗、轨至轨的运算放大器。小封装可以减小电路板的面积,超低的静态工作电流可以降低整个系统的功耗。在降低功耗的同时在需要达到350kHz带宽的情况下具有极高的速度/功率比。

3.2信号采样电路设计

信号采样电路的核心通过超摆幅比较器设计实现。通过分析压电陶瓷的输出信号,设计合理的电路参数,有效拾取冰雹信号,区分冰雹信号与其他信号特征,并将信号送入处理器进行识别处理。信号采样电路原理图如图6所示。

3.3接口EMC设计

接口部分选用低压高速RS—232收发器MAX3232。在3.0~5.5V供电范围内,电流低至10nA,速度高达1MHz,本身可以提供±15kV的ESD保护。通信接口上,设计了三端电容滤波器作为第一级EMI滤波,有效降低本机对外的电磁干扰同时阻止外界电磁干扰进入系统内部;第二级电容可以滤除大部分低频的噪声干扰;第三级保护采用了NUP2105,提供双向30kV(IEC61000—4—2规范)350W的瞬态保护;第四级设计了匹配电阻可以消耗窄电压脉冲的能量,提高芯片的抗干扰能力,同时还可以匹配阻抗,提高信号通信质量。

3.4EMC接口设计

接口部分选用美信公司的MAX3232芯片。该芯片是低压高速RS—232收发器。可以3.0~5.5V供电,电流低至10nA,速度高达1MHz,本身可以提供±15kV的ESD保护。对外的通信接口上,增加了一些额外的设计来抑制电磁干扰。接口处的三端电容滤波器是第一级EMI滤波,可以有效降低本机对外的电磁干扰,同时阻止外界电磁干扰进入系统内部;第二级电容可以滤除大部分低频的噪声干扰;NUP2105是第三级保护,该TVS管提供双向30kV(IEC61000—4—2规范)350W的瞬态保护;第四级电阻可以消耗部分窄电压脉冲的能量,提供芯片的抗干扰能力,同时还可以匹配阻抗,提高信号通信质量。接口电路EMC设计原理如图7所示。

4实验与数据分析

4.1模拟实验设备

设计了一台符合气象标准实验的冰雹模拟装置,实验测试条件按照以6m/s以上速度出射冰球,冰雹模拟装置如图8所示。

4.2模拟实验处理

结果为完整验证设计的冰雹传感器性能,实验分为2组,第一组实验通过模拟冰雹和降水,验证传感器降水区分能力;第二组与应用的国外传感器比较,验证测量准确程度。在实验室条件下,模拟冰雹下落和雨滴下落的情况,对产品性能进行检测,验证产品能够检测出冰雹的信号,同时能够区分冰雹和雨滴信号。实验采用冰球撞击来模拟冰雹下落,冰球直径为28mm,由模具冻成,采用加压喷水的方式模拟强降水。第一组模拟实验测试结果如表1所示。从表1的实测结果可以看出:设计的压电陶瓷冰雹传感器能够区分固态冰雹冲击,并可以统计出冰雹的数量。第二组实验通过设计的冰雹传感器与维萨拉公司的WXT520传感器进行了对比测试。对比测试情况如图8所示,实验测试结果如表2所示。测试结果显示,设计的传感器与维萨拉WXT520产品技术指标相当。

5结束语

基于压电陶瓷的冰雹传感器可实现自动测量冰雹天气现象,代替气象站人工测量,实现自动化测量冰雹。该传感器可单独使用,判断冰雹的发生、统计冰雹的数量;与多要素气象站联合应用,有利于气象综合观测以及防灾减灾。

作者:李佳 张弛 王柏林 单位:中国华云气象科技集团公司 华云升达(北京)气象科技有限责任公司