多点式超声波雪深测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于气象自动化监测设备领域，具体的说是一种多点式超声波雪深测量装置及测量方法。该测量装置包括温度测量单元、控制及通讯单元、支架、底座、测雪板、终端计算机或自动气象站、两个横臂和4个超声波传感器；本发明专利技术是一种通过四个超声波传感器发射、接收超声波信号，对信号进行处理，增强所需要的有用信号，抑制无用的干扰和噪声，并提取信号所包含的信息来测量积雪深度，通过通信单元传送给终端计算机或自动气象站，实现了自动化测量的需求的多点式超声波雪深测量装置及测量方法，解决了现有技术存在的超声波雪深测量仪器成本较高、单点式测量产生的误差大、精度低问题。

Multi point ultrasonic snow depth measuring device and measuring method

The invention belongs to the field of weather automatic monitoring equipment, in particular to a multipoint ultrasonic snow depth measuring device and a measuring method thereof. The measuring device comprises a temperature measuring and control unit, communication unit, frame, base, snowboard, terminal or computer automatic meteorological station, the two arm and 4 ultrasonic sensors; the invention is an ultrasonic sensor by four transmitting and receiving the ultrasonic signal, the signal processing, signal enhancement required to suppress the interference and noise, useless, and extract the signal information contained in the measured snow depth, through the communication unit is transmitted to the computer terminal or automatic weather station, realizes the multi point ultrasonic automatic measurement requirements of deep snow measuring device and method, to solve the problems existing in the prior error of ultrasonic snow depth measuring instrument cost high, single point measurement of large and low accuracy problem.

【技术实现步骤摘要】
多点式超声波雪深测量装置及测量方法
本专利技术属于气象自动化监测设备领域，具体的说是一种多点式超声波雪深测量装置及测量方法。
技术介绍
近几年由于全球气候变化，自然灾害频繁发生。其中，雪灾是由于长时间大规模的降雪以至积雪成灾，严重的雪灾会影响甚至破坏交通、通讯、输电线路等生命线，同时给建筑、农林畜牧业和人们的日常生活造成极大的危害。由此可见，在气象监测、控制、抢险以及预测雪灾方面，准确并且实时的监测积雪深度具有十分重要的意义。常见的积雪深度测量方法分为人工测量方法和自动测量方法。人工测量法：观测人员用量雪尺多次测量积雪深度取平均值或者用称重化雪测量融水的方法确定新雪密度，然后计算雪水当量。自动测量方法又分为光扫描法、双杆法、单杆法、红外测距法、超声波法和激光测距法。光扫描法：投光器口朝下安装在距离地面一定高度的位置，受光器位置固定，投光器对着光学面左右扫描，当光线进入受光器的范围时，根据投光器的角度计算雪深。双杆法：方向相对的投光器和受光器安装在两根垂直于地面的杆子上(可以沿杆子上下移动)，当投光器和受光器位于雪的上方时，投光器的光射到受光器上；当投光器和受光器位于雪的下方时，投光器的光无法射到受光器上，根据此时的高度计算雪深。单杆法：将投光器和受光器并列安装在一根垂直于地面的杆子上(可以沿杆子上下移动)，当投光器和受光器移到雪面上面时，没有光线进入受光器；投光器和受光器移到雪面下面时，积雪反射投光器的光进入受光器，根据此时的高度计算雪深。红外测距法：利用红外线传播时不扩散的原理(穿过其他物质时折射率很小)，红外线发出去之后碰到雪面反射回来被接收器接收，根据红外线从发出，到反射的红外线被接收器接收的时间计算积雪深度。超声波法：依靠超声波传感器发射脉冲信号，根据接收器收到雪面反射的信号，求积雪深度。激光测距法：与超声波法方法类似，只不过射出的信号是激光脉冲或连续信号而不是超声波信号，根据接收器收到雪面反射的激光信号，求积雪深度。上述测量方法中人工测量方法存在时效性差、时空密度不足等诸多弊端，不能全面、连续地反映积雪的变化过程。自动测量方法中光扫描法、双杆法、单杆法由于具有机械活动部件，在实际观测中易发生故障，需要经常维护；激光测距制作难度大，成本较高，光学系统需要时刻保持干净，否则严重影响测量质量。超声波法因没有机械活动部件，制作简单且成本相对低廉，被较多采用。近几年来国内外应用超声波测距技术实现的雪深测量仪已研制成功，并开始初步应用。但是大多数的超声波雪深测量仪成本高昂、只能实现单点测量，在实际情况中，由于自然因素的影响，积雪表面可能是高低不平的，单点测量不能有效的测量积雪深度的真实值，测量结果的精准性低。
技术实现思路
本专利技术提供了一种通过四个超声波传感器发射、接收超声波信号，对信号进行处理，增强所需要的有用信号，抑制无用的干扰和噪声，并提取信号所包含的信息来测量积雪深度，通过通信单元传送给终端计算机或自动气象站，实现了自动化测量需求的多点式超声波雪深测量装置及测量方法，解决了现有技术存在的超声波雪深测量仪器成本较高、单点式测量产生的误差大、精度低问题。本专利技术技术方案结合附图说明如下：一种多点式超声波雪深测量装置，该测量装置10包括温度测量单元3、控制及通讯单元4、支架5、底座6、测雪板7、终端计算机或自动气象站8、两个横臂2和4个超声波传感器1；其中所述的测雪板7水平固定在地面上，所述的底座6固定在测雪板7上；所述的支架5一端固定在底座6上，另一端固定在两个相交的横臂2的中心位置；两个所述的横臂2与测雪板7平行，其两端分别固定有超声波传感器1；4个所述的超声波传感器1垂直向下；所述的温度测量单元3包括温度传感器9和防辐射罩；所述的防辐射罩固定在支架5上，所述的温度传感器9位于防辐射罩的多个防辐射盘的中心孔形成的空腔中；所述的控制及通讯单元4设置在温度测量单元3的下方并且固定在支架5上；所述的超声波传感器1的信号输出端与控制及通讯单元4的超声波信号输入端连接；所述的温度测量单元3的温度信号输出端与控制及通讯单元4的温度信号输入端连接；所述的终端计算机或自动气象站8的信号输入或输出端与控制及通讯单元4的信号输出或输入端有线或无线连接。所述的控制及通讯单元4包括系统电源40、驱动电路41、模拟开关42、两级放大电路43、滤波电路44、滞回比较电路45、微处理器46、电可擦可编程只读存储器47、串行通信单元48或Zigbee无线传输单元49；所述的系统电源40的电压输出端与超声波传感器1、驱动电路41、模拟开关42、两级放大电路43、滤波电路44、滞回比较电路45、微处理器46、电可擦可编程只读存储器47、串行通信单元48或Zigbee无线传输单元49和温度传感器9的电压输入端相连；所述的驱动电路41的驱动信号输入端与微处理器46的驱动信号输出端连接；所述的驱动电路41的驱动信号输出端与超声波传感器1的信号输入端连接；所述的模拟开关42的信号输入端与超声波传感器1的信号输出端连接；所述的两级放大电路43的信号输入端与模拟开关42的信号输出端连接；所述的滤波电路44的信号输入端与两级放大电路43的信号输出端连接；所述的滞回比较电路45的信号输入端与滤波电路44的信号输出端连接；所述的滞回比较电路45的信号输出端与微处理器46的输入时间捕获端连接；所述的电可擦可编程只读存储器47的信号输出或输入端与微处理器46的信号输入或输出端连接；所述的串行通信单元48的信号输入或输出端与微处理器46的信号输出或输入端连接；所述的Zigbee无线传输单元49的无线信号输入或输出端与微处理器46的无线信号输出或输入端连接。所述的微处理器46采用意法半导体公司生产的型号为STM32F103C8的Cortex-M3内核芯片。4个所述的超声波传感器1包括第一超声波传感器11、第二超声波传感器12、第三超声波传感器13、第四超声波传感器14，第一、二、三、四超声波传感器11、12、13、14均为型号为NU40A18TR-2的压电式收发一体防水型超声波传感器，所述的第一、二、三、四超声波传感器11、12、13、14的波束角小于30°。所述的横臂2的长度大于或等于0.3倍的支架5的高度。所述的温度传感器采用Pt100铂电阻温度传感器。一种多点式超声波雪深测量装置的测量方法，该测量方法包括以下步骤：步骤一、系统电源40上电，控制及通讯单元4控制各模块初始化；步骤二、温度测量单元3中的防辐射罩内的温度传感器读取当前室外温度值，结合超声波在空气中的传播速度与温度的关系来修正超声波传播速度，尽可能的减小积雪深度的测量误差，提高雪深h测量的精准度；步骤三、微处理器46依次驱动第一、二、三、四超声波传感器11、12、13、14发射超声波，通过模拟开关42选择接收端与后面的信号处理电路中的两级放大电路43接通，完成信号的放大、滤波、滞回比较，送到微处理器46中得到四组超声波发射信号与接收信号的时间间隔，得到四组超声波发射信号与接收信号的时间间隔，时间间隔分别为t1,t2,t3,t4；步骤四、将步骤三中得到的四组时间间隔数据进行软件滤波，结合修正后的超声波传播速度，获取测量区域的雪深测量结果；步骤五、将步骤二中采集的室外温度值和步骤四中得到的积雪本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多点式超声波雪深测量装置，其特征在于，该测量装置(10)包括温度测量单元(3)、控制及通讯单元(4)、支架(5)、底座(6)、测雪板(7)、终端计算机或自动气象站(8)、两个横臂(2)和4个超声波传感器(1)；其中所述的测雪板(7)水平固定在地面上，所述的底座(6)固定在测雪板(7)上；所述的支架(5)一端固定在底座(6)上，另一端固定在两个相交的横臂(2)的中心位置；两个所述的横臂(2)与测雪板(7)平行，其两端分别固定有超声波传感器(1)；4个所述的超声波传感器(1)垂直向下；所述的温度测量单元(3)包括温度传感器(9)和防辐射罩；所述的防辐射罩固定在支架(5)上，所述的温度传感器(9)位于防辐射罩的多个防辐射盘的中心孔形成的空腔中；所述的控制及通讯单元(4)设置在温度测量单元(3)的下方并且固定在支架(5)上；所述的超声波传感器(1)的信号输出端与控制及通讯单元(4)的超声波信号输入端连接；所述的温度测量单元(3)的温度信号输出端与控制及通讯单元(4)的温度信号输入端连接；所述的终端计算机或自动气象站(8)的输入或输出端与控制及通讯单元(4)的输出或输入端有线或无线连接。

【技术特征摘要】
1.一种多点式超声波雪深测量装置，其特征在于，该测量装置(10)包括温度测量单元(3)、控制及通讯单元(4)、支架(5)、底座(6)、测雪板(7)、终端计算机或自动气象站(8)、两个横臂(2)和4个超声波传感器(1)；其中所述的测雪板(7)水平固定在地面上，所述的底座(6)固定在测雪板(7)上；所述的支架(5)一端固定在底座(6)上，另一端固定在两个相交的横臂(2)的中心位置；两个所述的横臂(2)与测雪板(7)平行，其两端分别固定有超声波传感器(1)；4个所述的超声波传感器(1)垂直向下；所述的温度测量单元(3)包括温度传感器(9)和防辐射罩；所述的防辐射罩固定在支架(5)上，所述的温度传感器(9)位于防辐射罩的多个防辐射盘的中心孔形成的空腔中；所述的控制及通讯单元(4)设置在温度测量单元(3)的下方并且固定在支架(5)上；所述的超声波传感器(1)的信号输出端与控制及通讯单元(4)的超声波信号输入端连接；所述的温度测量单元(3)的温度信号输出端与控制及通讯单元(4)的温度信号输入端连接；所述的终端计算机或自动气象站(8)的输入或输出端与控制及通讯单元(4)的输出或输入端有线或无线连接。2.根据权利要求1所述的一种多点式超声波雪深测量装置，其特征在于，所述的控制及通讯单元(4)包括系统电源(40)、驱动电路(41)、模拟开关(42)、两级放大电路(43)、滤波电路(44)、滞回比较电路(45)、微处理器(46)、电可擦可编程只读存储器(47)、串行通信单元(48)或Zigbee无线传输单元(49)；所述的系统电源(40)的电压输出端与超声波传感器(1)、驱动电路(41)、模拟开关(42)、两级放大电路(43)、滤波电路(44)、滞回比较电路(45)、微处理器(46)、电可擦可编程只读存储器(47)、串行通信单元(48)或Zigbee无线传输单元(49)和温度传感器(9)的电压输入端相连；所述的驱动电路(41)的驱动信号输入端与微处理器(46)的驱动信号输出端连接；所述的驱动电路(41)的驱动信号输出端与超声波传感器(1)的信号输入端连接；所述的模拟开关(42)的信号输入端与超声波传感器(1)的信号输出端连接；所述的两级放大电路(43)的信号输入端与模拟开关(42)的信号输出端连接；所述的滤波电路(44)的信号输入端与两级放大电路(43)的信号输出端连接；所述的滞回比较电路(45)的信号输入端与滤波电路(44)的信号输出端连接；所述的滞回比较电路(45)的信号输出端与微处理器(46)的输入时间捕获端连接；所述的电可擦可编程只读存储器(47)的信号输出或输入端与微处理器(46)的信号输入或输出端连接；所述的串行通信单元(48)的信号输入或输出端与微处理器(46)的信号输出或输入端连接；所述的Zigbee无线传输单元(49)的无线信号输入或输出端与微处理器(46)的无线信号输出或输入端连接。3.根据权利要求2所述的一种多点式超声波雪深测量装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：石屹然，李庚垚，李旭晨，何岩，车晓男，王士谦，石要武，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22