本发明专利技术是一种基于光纤光栅技术的降雨量监测方法和装置。利用等强度悬臂梁的受力把雨水的重力转化为梁的应变，进而转化为光纤光栅的布拉格波长变化，利用解调仪检测光纤光栅波长的改变量就可以实现对大气降雨的测量。装置为：从光纤光栅雨量筒里的电动溢水阀（5）引出电缆（9）以及光纤光栅应变传感器（8）引出光缆（10），电缆（9）与控制单元模块（11）连接，光缆（10）与光纤光栅解调仪（12）连接；控制单元模块（11）和解调仪（12）的输出接下位机（13）的输入，下位机（13）输出接无线通信模块Ⅰ（14），无线通讯模块Ⅱ（15）输出接上位机（16）的输入。本发明专利技术对大气降水能高传感精度、高测量精度、低成本及自动实时监测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是一种基于光纤光栅技术的降雨量监测方法和装置，涉及液位的测量和气象学
技术介绍
大气降水测量是气候变化、地质灾害、洪水灾害预警和环境评估等多方面的重要环节。目前较为常用的降雨量监测技术主要有翻斗式雨量计和虹吸式雨量计。其中翻斗式雨量计原理简单、性能稳定，但翻斗的动态计量误差随雨强变化剧烈变化，这种缺陷是翻斗式雨量计固有的原理和结构上的缺陷，在使用中易受随机因素的影响（如：翻斗室水体残留、翻斗室残留泥沙、风沙影响、翻斗轴承游隙变化及灰尘阻滞使摩擦力变化的影响等），使得翻斗式雨量计测量误差可能超过±10％。虹吸雨量计可以连续记录降水量和降水时间，测量精度高，受雨强变化影响的误差小，但当前普遍使用的虹吸式雨量计为日记型，每天必须更换记录纸，人工测量储水瓶中的虹吸水量进行虹吸订正、人工摘录时段雨量和人工录入计算机，因此，劳动强度很大，这与当前电子信息时代及不相称。光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为方式。除具有普通光纤抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特点外，光纤光栅还具有其独特的特性：易于与光耦合、耦合损耗小、易于波分复用等。因而使得光纤光栅在光纤通讯和光纤传感等领域有着广阔的前景。作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注，各国研究者积极开展有关研究工作。目前，已报道的光纤光栅传感器可以监测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating）是最简单、最普遍的一种光纤光栅。它是一段折射率呈周期性变化的光纤，其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数。温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是用光纤布拉格光栅测量温度和应变的基本原理。由耦合模理论可知，均匀的光纤布拉格光栅可以将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长（布拉格波长）λB为：λB＝2neffΛ（1）式中：λB为布拉格波长；neff为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅栅距。对式(1)微分可得光栅的中心波长与温度和应变的关系：弹光系数。由式（2）可知，应变ε是由于光纤布拉格光栅周期的伸缩和弹光效应引起布拉格波长的变化，而温度T是由于光纤布拉格光栅热膨胀效应和热光效应引起布拉格波长的变化。光纤光栅可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛应用。与传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点：（1）传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入各种大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好；（2）与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、光损耗低、光谱特性好、可靠性高；（3）具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；（4）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感；（5）测量信息以波长编码，因而光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接与耦合损耗、光波偏振态变化等因素的影响，具较强的抗干扰能力；（6）高灵敏度、高分辩力。与广泛使用的布里渊光时域反射计BOTDR相比，光纤光栅传感器的优点有：（1）对测量点能精确定位，分辨率高；（2）成本低；（3）能对传感部分进行加工、封装，使其更适合现场的恶劣环境。由于这些优点，基于光纤光栅传感技术，开发一套集自动化、测量精度和稳定可靠性等多方面要求的降雨量监测装置，进行高分辨率和实时在线测量，技术优势非常明显。文献调研和专利查新显示，目前还未有用基于光纤光栅传感技术进行大气降水监测的系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是专利技术一种对大气降水能高传感精度、高测量精度、低成本及自动实时监测的基于光纤光栅传感技术的光纤光栅降雨量监测方法和装置。基于光纤光栅传感技术的光纤光栅降雨量监测方法是使用基于光纤光栅传感技术的大气降雨自动监测装置，该装置主要包括光纤光栅雨量筒及设置在监测站里的控制单元模块11、解调仪12、下位机13、无线通信模块Ⅰ14、无线通讯模块Ⅱ15和上位机16。从光纤光栅雨量筒里的电动溢水阀5引出电缆9以及温度补偿型光纤光栅应变传感器8引出光缆10，电缆9与控制单元模块11连接，光缆10与光纤光栅解调仪12连接；控制单元模块11和解调仪12的输出接下位机13的输入，下位机13输出接无线通信模块Ⅰ14，无线通讯模块Ⅱ15输出接上位机16的输入。当所监测的区域发生大气降雨时，雨水透过金属网格遮盖1落入不锈钢圆筒2内，并在圆台形承雨器4内汇集，随着雨水的逐渐增加，承雨器4在雨水重力的作用下沿筒壁向下滑动，通过刚性承接杆6将雨水的重力传递到等强度悬臂梁7上，使得悬臂梁7发生垂直方向的纯弯曲，进而引起粘贴其上的光纤光栅应变传感器8发生变形，通过将悬臂梁作为光纤光栅传感器载体，根据材料力学理论，将大气降水的重量转变为施加在悬臂梁自由端的力学荷载，进而转化为光纤光栅传感器的应变，推导公式如下：σ＝Eε （3）M＝FL （4）W=bt26---(5)]]>σ=MW---(6)]]>式中：σ、ε分别为悬臂梁上光纤光栅应变传感器处的应力、应变，E为悬臂梁的弹性模量，M为弯矩，F为悬臂梁自由端施加的力，L为力的作用点到光纤光栅应变传感器处的距离，W为抗弯截面系数，t、b分别是悬臂梁的厚度、宽度，联合式（3）~（6），可得ϵ=6FLEbt2---(7)]]>式（7）中，悬臂梁自由端施加的力F由雨量筒内水的重力提供，可用下式表达F=mg=ρvg （8）式中：m为雨量筒内水的质量，ρ为水的密度，g为重力加速度。根据气象学知识，降雨量是单位面积上所降水的深度，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅降雨量监测方法，其特征在于本方法是使用基于光纤光栅
传感技术的大气降雨自动监测装置，所述装置主要包括光纤光栅雨量筒及设置在
监测站里的控制单元模块（11）、解调仪（12）、下位机（13）、无线通信模块Ⅰ（14）、
无线通讯模块Ⅱ（15）和上位机（16）；从光纤光栅雨量筒里的电动溢水阀（5）
引出电缆（9）以及光纤光栅应变传感器（8）引出光缆（10），电缆（9）与控制
单元模块（11）连接，光缆（10）与光纤光栅解调仪（12）连接；控制单元模块
（11）和解调仪（12）的输出接下位机（13）的输入，下位机（13）输出接无线
通信模块Ⅰ（14），无线通讯模块Ⅱ（15）输出接上位机（16）的输入；
【专利技术属性】
技术研发人员：韩冰，谭东杰，马云宾，李亮亮，荆宏远，郝建斌，郑军，刘建平，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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