CN108489547B - 一种雨滴参数测试装置 - Google Patents

Abstract

一种雨滴参数测试装置，其中，待测雨滴置于第一线阵模板与第二线阵模板之间，并在待测雨滴一侧设置有第一蓝宝石玻璃，待测雨滴另一侧设置有第二蓝宝石玻璃，柱面镜设置在透镜与第一线阵模板之间，激光器设置在透镜前方，滤光片设置在第二线阵模板与线阵CCD之间；同时激光器、透镜、柱面镜、第一线阵模板、第一蓝宝石玻璃、第二蓝宝石玻璃、第二线阵模板、滤光片及线阵CCD从左至右按顺序依次排列，且中心线位于同一水平面；通过测量入射光强在每滴待测雨滴经过线阵CCD时，照射至线阵CCD点阵上的光强变化，计算出待测雨滴的速度、直径、动能等参数，计算误差小，具有可拆卸性、体积小、便携，读取数据简单、室外操作方便等优点。

Description

一种雨滴参数测试装置

技术领域

本发明涉及雨滴参数测试技术领域，尤其涉及一种雨滴参数测试装置。

背景技术

雨滴的直径、动能等参数是农业、水文、气象等专业常用的测试指标，其与土壤侵蚀、水土流失等密切相关，然而现有的测试技术和设备较少，目前用于雨滴测试的方法主要是根据雨滴大小或打击程度由公式间接求得，误差较大；且室内模拟降雨试验通常需要测量雨滴的直径和动能，需配置方便快捷的测量设备，而在室外试验中，由于自然界中降雨难以观察，干扰因素较多，对测试设备的实用性要求高。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种雨滴参数测试装置，以解决上述背景技术中的缺点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种雨滴参数测试装置，包括用于发射的激光器、透镜、柱面镜、第一线阵模板、第二线阵模板、滤光片及线阵CCD，其中，待测雨滴置于第一线阵模板与第二线阵模板之间，并在待测雨滴一侧设置有第一蓝宝石玻璃，待测雨滴另一侧设置有第二蓝宝石玻璃，柱面镜设置在透镜与第一线阵模板之间，激光器设置在透镜前方，滤光片设置在第二线阵模板与线阵CCD之间；同时激光器、透镜、柱面镜、第一线阵模板、第一蓝宝石玻璃、第二蓝宝石玻璃、第二线阵模板、滤光片及线阵CCD从左至右按顺序依次排列，且中心线位于同一水平面。

在本发明中，激光器为633nm的He-Ne激光器，633nm是红色可见光，功率为0.5mw，稳定性好，角稳定度为0.1urad，单模分布，光斑均匀性，几乎没有空间缺陷，稳定度可达10^-7。

在本发明中，滤光片为窄带滤光片，用于将测量尺寸以内而不是测量波长的光滤去，最后将参与测量的光线入射至线阵CCD。

在本发明中，第一蓝宝石玻璃与第二蓝宝石玻璃上分别镀有导电膜，当第一蓝宝石玻璃与第二蓝宝石玻璃的温度低于环境温度时，通电加热第一蓝宝石玻璃与第二蓝宝石玻璃，使第一蓝宝石玻璃与第二蓝宝石玻璃不会因冷凝水滴而影响测量，适合在野外测试；且蓝宝石窗玻璃透光率高、耐磨，不易留下划痕进而影响测量。

在本发明中，线阵CCD采用滨松S12551-2408CCD线阵传感器，每点阵为14um×14um，读出速度可达40M，灵敏度可达13uV/S。响应范围200nm～1100nm，最大线速率19000line/S。

在本发明中，当柱面镜的一个线光照射线阵CCD时，线阵CCD上每一个点阵均视为一个单独的光探测器；

在待测雨滴未进入光源与线阵CCD之间的区域时，线阵CCD上的每一个点都接收到一个固定的光强I₀，当待测雨滴进入光源与线阵CCD之间的区域时，由于待测雨滴为球形，每一滴待测雨滴的边缘尺寸向雨滴中心尺寸以指数程度增加，故通过待测雨滴入射至线阵CCD点阵上的光强I衰减非常明显，其变化规律符合朗伯定律：

A＝lg(1/T)＝Kbc (1)

式(1)中，A为吸光度，T为透射比，是出射光强度I比入射光强度I₀；

K为摩尔吸收系数，与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；

c为吸光物质的浓度，b为吸收层厚度；

因被测物均为液态水，测量光为一定值单色光，故去掉式(1)中的c、K，简化为：

A＝lg(1/T)＝b (2)

即b＝lg(I₀/I) (3)

因一排线光通过待测雨滴的部位不同，在线阵CCD点阵上对应的待测雨滴截面厚度值b也不同，由奎奈斯定律可知，通过测量待测雨滴下落过程3次或3次以上，即可得到其中的两次测量在雨滴球心一侧:

当两次测量在雨滴球心两侧时，

而当两次测量在雨滴球心同侧时，

式(4～5)中，D₁为t₁时刻光线射过待测雨滴的切割线，r₁为切割线D₁的一半；

D₂为t₂时刻光线射过待测雨滴的切割线，r₂为切割线D₂的一半；

D为待测雨滴直径，r₃为待测雨滴直径D的一半；

h₁为切割线D₁到切割线D₂的距离；

h₂为切割线D₂到待测雨滴直径D的距离；

t₁、t₂分别为激光器的两次激光照射时间；

L为t₁、t₂之间的距离；t_d为t₁、t₂之间的间隔时间；

v为待测雨滴下落速度；

计算待测雨滴半径时，区分射过待测雨滴的切割线D₁、D₂是否过截面圆心：

①两条切割线D₁、D₂过截面圆心，

②两条切割线D₁、D₂未过截面圆心，

式(6～7)中，A为切割线D₁的二分之一、B为切割线D₂的二分之一，由朗伯定律测得b值；

C为两条切割线D₁、D₂之间的距离等于线阵CCD两个测点之间的距离；

D为待测雨滴截面直径；

r为待测雨滴截面半径；

h为截面圆心至靠近截面圆心第一条切割线的距离；

通过对通过待测雨滴光强的计算，得出两个与待测雨滴截面直径平行的切割线的值，根据下式计算得出待测雨滴截面直径：

式(8)中，r为待测雨滴半径(mm)；

ρ_气为大气密度ρ_气(kg/m³)；

ρ_水为待测雨滴水的密度＝1x10³(kg/m³)；

g为重力加速度(m/s²)；

W_动为待测雨滴动能；

进而计算出待测雨滴参数。

有益效果：本发明通过测量入射光强在每滴待测雨滴经过线阵CCD时，照射至线阵CCD点阵上的光强变化，由公式计算出待测雨滴的速度、直径、动能等参数，计算误差小，具有可拆卸性、体积小、便携，读取数据简单、室外操作方便等优点，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明的较佳实施例中的线阵CCD点阵上对应的待测雨滴截面厚度值。

图3为本发明的较佳实施例中的两次测量在雨滴球心两侧时示意图。

图4为本发明的较佳实施例中的两次测量在雨滴球心同侧时示意图。

图5为本发明的较佳实施例中的射过待测雨滴的切割线过截面圆心示意图。

图6为本发明的较佳实施例中的射过待测雨滴的切割线未过截面圆心示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1～6的一种雨滴参数测试装置，包括用于发射的He-Ne激光器1、透镜2、柱面镜3、第一线阵模板4、第一蓝宝石玻璃5、第二蓝宝石玻璃6、第二线阵模板7、窄带滤光片8及线阵CCD9，其中，待测雨滴置于第一蓝宝石玻璃5与第二蓝宝石玻璃6之间，第一线阵模板4设置在第一蓝宝石玻璃5前方，柱面镜3设置在透镜2与第一线阵模板4之间，He-Ne激光器1设置在透镜2前方，第二线阵模板7设置在第二蓝宝石玻璃6后方，窄带滤光片8设置在第二线阵模板7与线阵CCD9之间；同时He-Ne激光器1、透镜2、柱面镜3、第一线阵模板4、第一蓝宝石玻璃5、第二蓝宝石玻璃6、第二线阵模板7、窄带滤光片8及线阵CCD9从左至右按顺序依次排列，且中心线位于同一水平面。

在本实施例中，He-Ne激光器1采用633nm的He-Ne激光器，633nm是红色可见光，功率为0.5mw，稳定性好，角稳定度为0.1urad，单模分布，光斑均匀性，几乎没有空间缺陷，稳定度可达10^-7。

在本实施例中，透镜2用于将He-Ne激光器1发射出的激光发散成一束平行光。

在本实施例中，柱面镜3用于将通过透镜2的一束平行光转变为一排线光。

在本实施例中，第一线阵模板4用于将散射光和不参与测量的光挡住，而将其他光透过。

在本实施例中，在第一蓝宝石玻璃5与第二蓝宝石玻璃6上分别镀有导电膜，当第一蓝宝石玻璃5与第二蓝宝石玻璃6的温度低于环境温度时，通电加热第一蓝宝石玻璃5与第二蓝宝石玻璃6，使第一蓝宝石玻璃5与第二蓝宝石玻璃6不会因冷凝水滴而影响测量，适合在野外测试；且蓝宝石窗玻璃透光率高、耐磨，不易留下划痕进而影响测量。

在本实施例中，第二线阵模板7用于将测量尺寸以外的光挡住，而使其他光透过。

在本实施例中，窄带滤光片8用于将测量尺寸以内而不是测量波长的光滤去，最后将参与测量的光线入射至线阵CCD9。

在本实施例中，线阵CCD9采用滨松S12551-2408CCD线阵传感器，每点阵为14um×14um，读出速度可达40M，灵敏度可达13uV/S。响应范围200nm～1100nm，最大线速率19000line/S。(以雨滴降落速度为7m/S，最小可测量0.74mm雨滴。)

在本实施例中，当柱面镜3的一个线光照射线阵CCD9时，线阵CCD9上每一个点阵都可视为一个单独的光探测器；

在待测雨滴未进入光源与线阵CCD9之间的区域时，线阵CCD9上的每一个点都接收到一个固定的光强I₀，当待测雨滴进入光源与线阵CCD9之间的区域时，由于待测雨滴为球形，每一滴待测雨滴的边缘尺寸向雨滴中心尺寸以指数程度增加，故通过待测雨滴入射至线阵CCD9点阵上的光强I衰减非常明显，其变化规律符合朗伯定律：

A＝lg(1/T)＝Kbc (1)

其中，A为吸光度，T为透射比(透光度)，是出射光强度I比入射光强度I₀；

K为摩尔吸收系数，与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；

c为吸光物质的浓度，b为吸收层厚度；

因被测物均为液态水，测量光为一定值单色光，故式(1)中c、K可去掉，简化为：

A＝lg(1/T)＝b (2)

即b＝lg(I₀/I) (3)

因一排线光通过待测雨滴的部位不同，故b值也不同，如图2所示，b1、b2、b3、b4、b5是线阵CCD9点阵上对应的待测雨滴截面厚度值；判断何时两次测量在雨滴球心一侧，只需在待测雨滴下落过程中被测量3次或3次以上，那么切割线D₁、D₂就在雨滴球心的同侧(由奎奈斯定律可知)；

当两次测量在雨滴球心两侧时，如图3所示：

而当两次测量在雨滴球心同侧时，如图4所示：

式(4～5)中，D₁为t₁时刻光线射过待测雨滴的切割线，r₁为切割线D₁的一半；

D₂为t₂时刻光线射过待测雨滴的切割线，r₂为切割线D₂的一半；

D为待测雨滴直径，r₃为待测雨滴直径D的一半；

t₁、t₂分别为He-Ne激光器1的两次激光照射时间；

L为t₁、t₂之间的距离；t_d为t₁、t₂之间的间隔时间；

h₁为切割线D₁到切割线D₂的距离；

h₂为切割线D₂到待测雨滴直径D的距离；

v为待测雨滴下落速度；

在计算待测雨滴半径时，区分射过待测雨滴的切割线D₁、D₂是否过截面圆心：

①两条切割线D₁、D₂过截面圆心，如图5所示：

②两条切割线D₁、D₂未过截面圆心，如图6所示：

式(6～7)中，A为切割线D₁的二分之一、B为切割线D₂的二分之一，由切割线长用朗伯定律测出b值；

C为两条切割线D₁、D₂之间的距离等于线阵CCD9两个测点之间的距离；

D为待测雨滴截面直径；

h为截面圆心至靠近截面圆心第一条切割线的距离；

r为待测雨滴截面半径；

通过对通过待测雨滴光强的计算，得出两个与待测雨滴截面直径平行的切割线的值，根据下式计算得出截面直径：

式(8)中，r为待测雨滴半径(mm)；

ρ_气为大气密度ρ_气(kg/m³)；

ρ_水为待测雨滴水的密度＝1x10³(kg/m³)；

g为重力加速度(m/s²)；

W_动为待测雨滴动能；

本装置通过测量入射光强在每滴待测雨滴经过线阵CCD9时，照射至线阵CCD9点阵上的光强变化，由式(1)～式(8)计算出待测雨滴的速度、直径、动能等参数，具有可拆卸性、体积小、便携，读取数据简单、室外操作方便等优点。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种雨滴参数测试装置，包括用于发射的激光器、透镜、柱面镜、第一线阵模板、第二线阵模板、滤光片及线阵CCD，待测雨滴置于第一线阵模板与第二线阵模板之间，并在待测雨滴一侧设置有第一蓝宝石玻璃，待测雨滴另一侧设置有第二蓝宝石玻璃，柱面镜设置在透镜与第一线阵模板之间，激光器设置在透镜后方，滤光片设置在第二线阵模板与线阵CCD之间；同时激光器、透镜、柱面镜、第一线阵模板、第一蓝宝石玻璃、第二蓝宝石玻璃、第二线阵模板、滤光片及线阵CCD的中心线位于同一水平面，其特征在于，当柱面镜的一个线光照射线阵CCD时，线阵CCD上每一个点阵均视为一个单独的光探测器；

在待测雨滴未进入光源与线阵CCD之间的区域时，线阵CCD上的每一个点都接收到一个固定的光强I₀，当待测雨滴进入光源与线阵CCD之间的区域时，由于待测雨滴为球形，每一滴待测雨滴的边缘尺寸向雨滴中心尺寸以指数程度增加，故通过待测雨滴入射至线阵CCD点阵上的光强I衰减非常明显，其变化规律符合朗伯定律：

A＝lg(1/T)＝Kbc (1)

式(1)中，A为吸光度，T为透射比，是出射光强度I比入射光强度I₀；

K为摩尔吸收系数，与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；

c为吸光物质的浓度，b为吸收层厚度；

因被测物均为液态水，测量光为一定值单色光，故去掉式(1)中的c、K，简化为：

A＝lg(1/ T)＝b (2)

即b＝lg(I₀/I)(3)

因一排线光通过待测雨滴的部位不同，在线阵CCD点阵上对应的待测雨滴截面厚度值b也不同，由奎奈斯定律可知，通过测量待测雨滴下落过程3次以上，即可得到其中的两次测量在雨滴球心一侧:

当两次测量在雨滴球心两侧时，

而当两次测量在雨滴球心同侧时，

式(4～5)中，D₁为t₁时刻光线射过待测雨滴的切割线，r₁为切割线D₁的一半；

D₂为t₂时刻光线射过待测雨滴的切割线，r₂为切割线D₂的一半；

D为待测雨滴直径，r₃为待测雨滴直径D的一半；

h₁为切割线D₁到切割线D₂的距离；

h₂为切割线D₂到待测雨滴直径D的距离；

t₁、t₂分别为激光器的两次激光照射时间；

L为t₁、t₂之间的距离；t_d为t₁、t₂之间的间隔时间；

v为待测雨滴下落速度；

计算待测雨滴半径时，区分射过待测雨滴的切割线D₁、D₂是否过截面圆心：

①两条切割线D₁、D₂过截面圆心，

②两条切割线D₁、D₂未过截面圆心，

式(6～7)中，A为切割线D₁的二分之一、B为切割线D₂的二分之一，由朗伯定律测得b值；

C为两条切割线D₁、D₂之间的距离等于线阵CCD两个测点之间的距离；

D为待测雨滴截面直径；

r为待测雨滴截面半径；

h为截面圆心至靠近截面圆心第一条切割线的距离；

通过对通过待测雨滴光强的计算，得出两个与待测雨滴截面直径平行的切割线的值，根据下式计算得出待测雨滴截面直径：

式(8)中，r为待测雨滴截面半径(mm)；

ρ_气为大气密度ρ_气(kg/m³)；

ρ_水为待测雨滴水的密度＝1x10³(kg/m³)；

g为重力加速度(m/s²)；

W_动为待测雨滴动能；

进而计算出待测雨滴参数。

2.根据权利要求1所述的一种雨滴参数测试装置，其特征在于，激光器为633nm的He-Ne激光器。

3.根据权利要求1所述的一种雨滴参数测试装置，其特征在于，滤光片为窄带滤光片。

4.根据权利要求1所述的一种雨滴参数测试装置，其特征在于，第一蓝宝石玻璃上镀有导电膜。

5.根据权利要求1所述的一种雨滴参数测试装置，其特征在于，第二蓝宝石玻璃上镀有导电膜。

6.根据权利要求1所述的一种雨滴参数测试装置，其特征在于，线阵CCD采用滨松S12551-2408CCD线阵传感器。