一种压电式雨量传感器的换能结构及其安装方法
阅读说明：本技术 一种压电式雨量传感器的换能结构及其安装方法 (Transduction structure of piezoelectric rainfall sensor and installation method thereof ) 是由 王登攀 李军 李小飞 何香君 张灵舒 袁宇鹏 王露 母江东 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及气象站中气象监测雨量技术领域,具体涉及一种压电式雨量传感器的换能结构及其安装方法,包括壳体、圆形压电片、支架和矩形压电片,壳体周边设置有片状悬臂结构,壳体中心位置有一个凹面,圆形压电片粘接在壳体中心凹面上,悬臂结构的两面都粘接矩形压电片,支架固定在壳体下方；本发明设计的抗冲击能力较强的中心区域和灵敏度较高的四周悬臂梁双晶片结构两部分,解决了小雨量下传统压电式雨量传感器换能结构输出信号弱,对小雨量测试不灵敏的问题,可以兼顾大雨量和小雨量的测量,进而提高了气象仪等对洪涝、干旱及山体滑坡等自然灾害的预警能力。(The invention relates to the technical field of meteorological monitoring rainfall in a meteorological station, in particular to an energy conversion structure of a piezoelectric rainfall sensor and an installation method thereof, wherein the energy conversion structure comprises a shell, a circular piezoelectric plate, a support and a rectangular piezoelectric plate, a sheet-shaped cantilever structure is arranged on the periphery of the shell, a concave surface is arranged at the center of the shell, the circular piezoelectric plate is adhered to the concave surface at the center of the shell, the rectangular piezoelectric plate is adhered to both sides of the cantilever structure, and the support is fixed below the shell; the central area with strong impact resistance and the surrounding cantilever beam bimorph structure with high sensitivity are designed, the problems that the output signal of the traditional piezoelectric type rainfall sensor transduction structure is weak and the test on the small rainfall is insensitive under the small rainfall are solved, the measurement of large rainfall and small rainfall can be considered, and the early warning capability of a meteorological instrument and the like on natural disasters such as flood, drought, landslide and the like is improved.)
技术领域
本发明涉及气象站中气象监测雨量技术领域，具体而言，涉及一种压电式雨量传感器的换能结构及其安装方法。
背景技术
雨量是气象观测中的一个关键要素，及时准确地获取雨量数据对防治洪涝、干旱及山体滑坡等自然灾害具有重要作用，而对雨的观测需要用到雨量计。目前常见的雨量计是压电式雨量计，也称为压电式雨量传感器，包括外壳、压电传感元件、信号采集电路等部分，压电式雨量传感器将雨滴下落的冲击信号转化为电信号，通过采集处理压电传感元件的输出信号，可以计算得到单个雨滴的粒径，以及一段时间内的雨滴谱分布、降雨强度和累计降雨量，具有实时性好、自动化程度高、成本低廉等优点。
实用新型专利CN210803754U中提出了一种压电式雨量计结构，包括承击盖、压电元件、支架和控制处理器等部件，采用压电元件与控制处理器连接的方式，通过将雨水打击承击盖产生的震动传递给压电元件，压电元件传输信号给控制处理器，根据控制处理器中已经输入好的电压信号和当前雨量对应关系算法，达到测量雨量大小的效果，其中承击盖四周为圆形且顶部呈拱形，该结构特点是抗冲击能力强，但同时存在小雨量时结构振动幅度小、输出电压信号小的缺点，需要提出一种新结构，可以实现对小雨量的精确测量，解决现有结构难以测量小雨量的问题。
发明内容
为了解决小雨量下传统压电式雨量传感器换能结构输出信号弱，对小雨量的测量不精确，不能同时兼顾大雨量和小雨量的测量的技术问题，本发明提供一种压电式雨量传感器的换能结构及其安装方法，所述换能结构包括壳体11、圆形压电片12、支架13和矩形压电片14，壳体11周边设置有片状悬臂结构15，壳体11中心位置有一个凹面，圆形压电片12粘接在壳体11中心凹面上，悬臂结构15的正反两面都粘接矩形压电片14，支架13固定在壳体11下方；
进一步的，所述悬臂结构15为壳体11圆周边缘等间距延伸出的等大小矩形片；
进一步的，所述悬臂结构15为壳体11圆周边缘等间距延伸出的扇形片，扇形片的长度与宽度依次增加，壳体11边缘的所有悬臂结构15构成斐波那契螺旋线的形状；
进一步的，所述支架13包括基座和支撑架，基座上均匀设置有多个支撑架，支撑架与壳体11固定连接，与壳体11的接触点尽量少，尽量小，接触面积过大和接触点过多，会影响结构的振动；
进一步的，壳体11与圆形压电片12之间以及矩形压电片14与悬臂结构15之间采用的刚性粘接剂包括但不限于环氧树脂、厌氧胶及AB胶；
进一步的，所述圆形压电片12采用的压电材料包括但不限于压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物及压电复合材料；
进一步的，壳体11与圆形压电片12之间以及矩形压电片14与悬臂结构15之间能够采用金金键合、银电极烧结或阳极键合等工艺进行连接固定；
进一步的，支架13与壳体11之间的固定方式包括但不限于螺钉固定、超声焊接及激光焊接；
进一步的，所述壳体11采用不锈钢制造；
进一步的，在壳体11上靠近悬臂结构15位置均匀设置有弹性孔，弹性孔结构设置为通孔或凹槽，可以增加壳体11边缘部分的弹性，使其更容易发生形变，在主动驱动测试时，降低外围悬臂结构与内部圆形换能结构之间的串扰。
进一步的，弹性孔的形状为矩形或圆形，围绕每个弹性孔，在壳体11正面粘接一层压电材料，使得压电材料的体积扩大，获得更好的换能效果。
上述一种压电式雨量传感器的换能结构的安装方法，包括以下步骤：
1)对壳体11、圆形压电片12、支架13及矩形压电片14进行超声清洗，洗掉结构和元件表面的油污，保证粘接效果，清洗完成后放入垫有无尘纸的不锈钢托盘中，然后利用电热鼓风干燥箱加热烘干，烘干后自然冷却备用；
2)将壳体11凹面向上放置在环形固定夹具上，并保持边缘水平，配置粘接剂涂到壳体11的中心凹面上；
3)将圆形压电片12水平放置在壳体11的中心凹面上，利用自身重力挤压粘接剂，并及时去除周围溢出的胶，在圆形压电片12上放置重物，并在重物表面放置水平仪，通过微调圆形压电片12的位置，使水平仪在水平范围内，圆形压电片12与壳体11的位置呈水平状态，完成粘接剂的固化；
4)将粘接完成的圆形压电片12与壳体11放入粘片专用模具中，利用粘接剂，涂到壳体11的悬臂结构15上，按照步骤3)中相同的方式进行固化；
5)圆形压电片12与矩形压电片14采用翻边电极的方式引出负极或利用壳体11的导电性作负极；
6)电信号引出操作完成后，将支架13固定到壳体上，形成最终的换能结构。
与现有压电式雨量传感器换能结构相比，本专利提出的设计兼顾了大雨量和小雨量两种情况，解决了小雨量测不准的问题，提高了对压电式雨量传感器的测量精度，进而提高了气象仪等对洪涝、干旱及山体滑坡等自然灾害的预警能力，对有效保护生命和财产安全有重要意义，具有重要的社会和经济效益。
附图说明
图1为本发明雨量传感器换能结构
具体实施方式
1的示意图；
图2为本发明雨量传感器换能结构中金属壳体具体实施方式1的示意图；
图3为本发明雨量传感器换能结构具体实施方式2的示意图；
图4为本发明雨量传感器换能结构中金属壳体具体实施方式2的示意图；
图5为本发明悬臂结构构成斐波那契螺旋线形状的示意图；
附图中：11-壳体，12-圆形压电片，13-支架，14-矩形压电片，15-悬臂结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种压电式雨量传感器的换能结构，如图1所示，包括壳体11、圆形压电片12、支架13和矩形压电片14，壳体11周边设置有片状悬臂结构15，壳体11中心位置有一个凹面，圆形压电片12粘接在壳体11中心凹面上，悬臂结构15的两面都粘接矩形压电片14，支架13固定在壳体11下方；
优选地，所述悬臂结构15为壳体11圆周边缘延伸出的矩形片，有大矩形片和小矩形片两种结构，每两个小矩形片中间有一个大矩形片；
优选地，如图1、图3所示，所述悬臂结构15为壳体11圆周边缘等间距延伸出的等大小矩形片，雨滴接触面积更平均，加工工艺更加简单；
优选地，如图5所示，所述悬臂结构15为壳体11圆周边缘等间距延伸出的扇形片，扇形片的大小依次增加，壳体11边缘的所有悬臂结构15构成斐波那契螺旋线形状，扩大与雨水的接触面积，更加灵敏的感知到小雨量带来的振动，测量更加精确。
悬臂结构15的形状大小可以是上述三种结构中的一种，也可以根据实际情况及加工工艺进行调整。
具体地，所述支架13包括基座和支撑架，基座上均匀设置有多个支撑架，支撑架与壳体11固定连接，支架13与壳体11的接触点尽量少，尽量小，接触面积过大和接触点过多，会影响结构的振动；
优选地，如图1所示，所述支架13由一个圆环和三个τ形支撑架组成，以圆环圆心为交点，三个τ形支撑架两两之间形成120度角连接在圆环边缘，三个τ形支撑架固定在壳体11中心凹面外的圆环上。
由壳体中心位置与圆形压电片构成的换能区域，有较强的抗冲击能力，当受到雨滴撞击时，压电传感元件会将雨滴撞击传感器外壳产生的机械振动转换为电信号，雨滴撞击的冲击力越大，则振动幅值越大，传感元件输出电压的幅值也越大，用于大雨量的测量，壳体11周围均匀分布的双晶片结构，可进行主动测试与被动测试，实现对小雨量的精确测量。
金属壳体11可以采用不锈钢，壳体11与压电片12之间的粘接胶可以选择环氧树脂、厌氧胶及AB胶等刚性粘接剂，压电片12可以采用压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物及压电复合材料等各种压电材料，压电片14与壳体11之间的粘接胶可以选择环氧树脂、厌氧胶及AB胶等刚性粘接剂，支撑架13与壳体11之间可以用螺钉固定，也可以用超声焊接、激光焊接等方式进行固定。
本发明提供的另一种压电式雨量传感器的换能结构，如图3、图4所示，包括壳体11、圆形压电片12、支架13和矩形压电片14，壳体11周边设置有片状悬臂结构15，壳体11中心位置有一个凹面，圆形压电片12粘接在壳体11中心凹面上，悬臂结构15的两面都粘接矩形压电片14，支架13固定在壳体11下方；在壳体11上靠近悬臂结构15位置均匀设置有弹性孔，弹性孔结构设置为通孔或凹槽，其形状为矩形或圆形，围绕每个弹性孔，在壳体11正面粘接一层压电材料，让能够产生换能的压电材料体积扩大，增加壳体11边缘部分的弹性，在主动驱动测试时，降低外围悬臂结构与内部圆形换能结构之间的串扰。
本发明设计的一种压电式雨量传感器的换能结构可分为两部分，一部分为壳体中心位置利用圆形压电片与金属壳组成的换能区域，具备较强的抗冲击力，用于大雨量的测量；另一部分为壳体四周均匀分布的压电双晶片结构，由矩形压电片和金属片组成，可进行主动测试和被动测试。主动测试为采用交流电压驱动压电双晶片结构，使其振动，当有雨滴附在压电双晶片结构上时，其振动频率及幅度会变化，在电路中等效成的负载也会变化，通过上述变化来检测降雨量。被动检测时，不需要驱动电压，主要利用雨滴对结构的冲击产生的电压信号来检测降雨量。
具体地，被动测试时，小雨量冲击双晶片结构，使压电片产生形变，进而输出电信号；主动测试时，小雨量在双晶片表面形成一定厚度的水膜，水膜将影响压电双晶片的谐振频率，通过后端电路测试压电双晶片的阻抗特性，得到其谐振频率，通过大量测试，可得到压电双晶片阻抗特性及谐振频率与雨量的对应关系，从而实现对小雨量的测量。
一种压电式雨量传感器的换能结构的安装方法，包括以下步骤：
1)将壳体11、压电片12、压电片14和支撑架13进行超声清洗，先用无水乙醇清洗，再用丙酮清洗，最后再用无水乙醇清洗，清洗完成后，放到不锈钢托盘，托盘上垫上无尘纸，然后放入电热鼓风干燥箱加热烘干，烘干后自然冷却备用；
2)将壳体11凹面向上放置在环形固定夹具上，并保持边缘水平，配制环氧树脂粘接剂，将配好的粘接剂涂到壳体11的中心凹面上，粘接剂的量要根据压电片12的面积来确定，由于壳体11和压电片12之间存在间隙，因此，压电片12的面积越到，则所需的粘接剂越多；
3)将压电片12水平放置在壳体11的中心凹面上，利用自身重力将粘接剂挤压并溢出，及时去除周围溢出的胶，压电片12上面加一定重量的物体，增加其挤压状态的稳定性，重物上表面与压电片12的表面平行，并在重物表面放置水平仪，通过微调压电片12的位置，使水平仪在水平范围内，圆形压电片12与壳体11的位呈水平状态，位置固定后，根据粘接剂的固化条件，完成粘接剂的固化；
4)压电片12与壳体11粘接完成后，将壳体11放入粘片专用模具中，该磨具可以实现壳体11四周的悬臂结构15与压电片14之间的精确定位，利用步骤2)中相同的粘接剂，涂到壳体11的悬臂结构15上，然后将压电片14平行放置在悬臂结构15上，并通过在压电片14上方放置重物的方式来施加压力，尽量将多余的粘接剂挤出。在所有压电片14都放置完成后，按照步骤3)中相同的方式进行固化；
5)压电片12和14可以采用翻边电极的方式来将负极引出，也可利用壳体11的导电性作为负极。如果用翻边电极的方式，则分别焊接导线将压电片12和14的正负极引出；如果利用壳体的导电性，则需要焊接导线将正极引出，壳体作为负极；
6)在电信号引出操作完成后，将支架13通过焊接或螺钉的方式固定到壳体11上，形成最终的换能结构。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。