采用光纤测量的雨量计和铁路防灾雨量监测系统

摘要

本发明公开了一种采用光纤测量的雨量计和采用该雨量计的铁路防灾雨量监测系统。该雨量计包括光纤雨量筒和信号处理设备，光纤雨量筒中包括光纤传感器，光纤传感器通过光缆与信号处理设备连接。该铁路防灾雨量监测系统包括布设在不同雨量监测点的多个光纤雨量筒和设置在监控中心的信号处理设备，多个光纤雨量筒与信号处理设备之间通过光缆连接。本发明所提供的雨量计和铁路防灾雨量监测系统，通过光纤传感器和机械部分的结合对降雨量进行测量，不仅在雨量监测点实现了测量设备的无源化，无需远程供电，而且利用光缆传输信号，可以避免外界信号的干扰，抗干扰能力强，可靠性高。

权利要求

1.一种采用光纤测量的虹吸式雨量计，其特征在于包括光纤雨量筒和信号处理设备；

所述光纤雨量筒中包括光纤传感器，所述光纤传感器通过光缆与所述信号处理设备连接；

所述光纤雨量筒包括浮子室、位于所述浮子室内的浮子，以及用于测量所述浮子高度变化的光纤传感器；

所述光纤传感器固定在所述浮子室上方，在所述光纤传感器和所述浮子相对的两个表面设置两个同极相对的磁铁；

所述浮子在所述浮子室内随着水位上升或下降，引发光纤传感器的拉伸或压缩，从而改变信号的光学性质；在所述信号处理设备上，通过分析光纤传感器在拉伸或压缩过程中对信号的改变，还原出浮子在水中所受的力，从而获得浮子室内的水位高度。

2.如权利要求1所述的虹吸式雨量计，其特征在于：

所述信号处理设备包括光调制解调模块和处理单元，所述光纤传感器通过光缆与所述光调制解调模块的输入端连接，所述光调制解调模块的输出端与处理单元连接。

3.如权利要求1所述的虹吸式雨量计，其特征在于：

多个所述光纤雨量筒与同一信号处理设备连接。

4.一种包括权利要求1至3中任意一项所述虹吸式雨量计的铁路防灾雨量监测系统，其特征在于包括布设在雨量监测点的多个光纤雨量筒和设置在监控中心的信号处理设备，所述多个光纤雨量筒与所述信号处理设备通过光缆连接。

说明书

采用光纤测量的雨量计和铁路防灾雨量监测系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种测量降雨量的雨量计，尤其涉及一种采用光纤测量方式的雨量计，本发明同时还涉及一种采用该雨量计的铁路防灾雨量监测系统。

背景技术

[0002] 现有技术中，常用的雨量计主要为机械式雨量计，其中一种是虹吸式雨量计，另一种是翻斗式雨量计。此外，还有少量的雷达雨量计、光学雨量计和压力雨量计等。在实际使用中，以虹吸式雨量计和翻斗式雨量计占多数。其中，虹吸式雨量计通过测量浮子室中浮子的高度变化和虹吸次数来统计降雨量，而翻斗式雨量计通过记录翻斗预设值和翻斗的翻转次数实现降雨量的统计。在上述雨量计中，配置了记录浮子变化状态和翻斗反转次数的电路系统和模数转换系统。

[0003] 在铁路防灾预警系统中，当雨量计在野外布设时，利用雨量计对降雨量进行测量和记录，需要对雨量计远程供电，然后通过通信线路将数据传输给位于监控中心的数据存储和处理设备。除极少数雨量计安装太阳能电池外，多数雨量计都采用从远端拉设电力线路进行供电，施工很不方便。

[0004] 近年来，人们曾研究出采用无线通信方式传输雨情数据的雨量计。如申请号为201110250185.8的中国发明专利申请中公开的带无线数据传输器的翻斗式雨量计。该雨量计主要由外筒、以及在外筒内部从上而下依次设置的上翻斗、计量翻斗、承雨器构成，计量翻斗连接数据采集器，数据采集器与设置在密封箱内的GPRS无线数据传输器连接。该雨量计通过增设无线数据传输器实现数据的无线传输。此外，该雨量计还包括安装于支撑架上的太阳能电池板和与太阳能电池板连接的蓄电池，蓄电池与数据采集处理器和GPRS无线数据传输器连接，为数据采集处理器和GPRS无线数据传输器供电。所以，此种无线数据传输方式仍然需要给无线数据传输器提供电源，无法从根本上解决雨量计的远程供电问题。而且，无线信号容易受工频信号等外界信号干 扰，出现无规则中断等故障，无法保证雨量计的实时数据传输。

[0005] 在铁路运输中，雨量监测系统作为铁路灾害预警系统的重要组成部分，需要设置的监控点非常多，且要求其具有高可靠性。而既有雨量监测系统对数据传输通道、供电方式都提出了较高的要求，更凸显了设备需要供电的矛盾。因此，实践中迫切需要提供一种无需供电且具有高可靠性的雨量计。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种采用光纤测量的雨量计。

[0007] 同时，本发明还提供了一种采用上述雨量计的铁路防灾雨量监测系统。

[0008] 为了达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

[0009] 一种采用光纤测量的雨量计，包括光纤雨量筒和信号处理设备，所述光纤雨量筒中包括光纤传感器，所述光纤传感器通过光缆与所述信号处理设备连接。

[0010] 较优地，所述光纤雨量筒包括浮子室、位于所述浮子室内的浮子，以及用于测量所述浮子高度变化的光纤传感器。

[0011] 进一步地，所述光纤传感器固定在所述浮子上。

[0012] 或者，所述光纤传感器固定在所述浮子室上方，在所述光纤传感器和所述浮子相对的两个表面设置两个同极相对的磁铁。

[0013] 较优地，所述光纤雨量筒包括翻斗机构，和设置在所述翻斗机构上的反射镜面，在所述翻斗机构附近设置光纤传感器。

[0014] 较优地，所述翻斗机构包括分水器和设置在所述分水器两侧的两个翻斗盘，所述反射镜面设置在所述分水器上，所述光纤传感器设置在所述翻斗机构上方的漏斗的外侧。

[0015] 较优地，所述光纤雨量筒包括称量架和设置在所述称量架上方的储水罐，以及设置于所述称量架上用于测量所述称量架的形变量的光纤传感器。

[0016] 进一步地，所述信号处理设备包括光调制解调模块和处理单元，所述光纤传感器通过光缆与所述光调制解调模块的输入端连接，所述光调制解调模块的输出端与处理单元连接。

[0017] 进一步地，多个所述光纤雨量筒与同一信号处理设备连接。

[0018] 一种包含上述雨量计的铁路防灾雨量监测系统，包括布设在雨量监测点的多个光纤雨量筒和设置在监控中心的信号处理设备，所述多个光纤雨量筒与所述信号处理设备通过光缆连接。

[0019] 本发明所提供的雨量计通过光纤传感器测量降雨量，并通过光缆进行信号传输，省略了传统雨量计中的电源，实现了设备的无源化，并且使得数据的传输过程不易受到外界信号干扰，具有很高的可靠性，尤其适用在野外雨量监测点布设。此外，本发明提供的铁路防灾雨量监测系统，将多个光纤雨量筒布置于野外不同的雨量监测点，并通过光缆与设于监控室的同一信号处理设备连接，实现对野外降雨的监测，使得铁路防灾雨量监测系统的布置更为简单和便捷，并同时保证了信号传输的准确性，抗干扰能力强，可靠性高。

附图说明

[0020] 图1为本发明的第一实施例中，光纤雨量筒的结构示意图；

[0021] 图2为本发明的第一实施例中，雨量计的整体结构示意图；

[0022] 图3为本发明的第二实施例中，光纤雨量筒的结构示意图；

[0023] 图4为本发明的第二实施例中，光纤雨量筒的测量原理图；

[0024] 图5为本发明的第三实施例中，光纤雨量筒的结构示意图；

[0025] 图6是本发明所提供的铁路防灾雨量监测系统的结构示意图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和具体实施例对本发明的发明内容进行详细说明。

[0027] 本发明提供了一种采用光纤测量的雨量计，包括光纤雨量筒1和信号处理设备2，光纤雨量筒1包括用于测量雨量的光纤传感器，光纤传感器通过光缆与信号处理设备2连接。

[0028] 上述雨量计可以包括虹吸式雨量计、翻斗式雨量计和称重式雨量计三种实施方式。在下述实施例中，分别对包含光纤传感器的三种雨量计的具体结构和工作原理进行具体说明。

[0029] 第一实施例：

[0030] 虹吸式雨量计包括光纤雨量筒1和信号处理设备2，其中，光纤雨量筒1中包含光纤传感器15，光纤传感器15通过光缆30与信号处理设备2连接。如图1所示，光纤雨量筒1具有密封的外壳10，在外 壳10的上部开设开口，设有承雨器11。漏斗12位于承雨器11的下方，并与承雨器11连接。在外壳10内设置支撑架10A，浮子室13设置在支撑架10A上，当然，浮子室13也可以直接设置在外壳10的底部。漏斗12的下端伸入浮子室13的底部，在浮子室13内部设有浮子14，浮子14与光纤传感器15固定在一起，可以在光纤传感器15的下方固定重物16。
光纤传感器15通过光缆30与信号处理设备2连接。此外，在浮子室13的底部设置有虹吸管17的入水口，虹吸管17与浮子室13连通，当浮子室13内的水位达到虹吸高度时，虹吸管17用于迅速排空浮子室13内的雨水。

[0031] 如图1所示，该实施例中采用光纤光栅传感器，光纤光栅传感器与浮子14固定在一起，随着浮子室13内雨水的积聚或排空，浮子14在水中上升或下降，从而引发光纤光栅传感器的拉伸或压缩，从而改变信号的光学性质，如改变光的强度、波长、频率、相位、偏正态等。在信号处理设备2上，通过分析光纤光栅传感器在拉伸或压缩过程中对信号的改变，还原出浮子14在水中所受的力，从而获得浮子室13内的水位高度。

[0032] 当然，光纤传感器15也可以不与浮子14固定在一起，例如，将光纤传感器15固定在浮子室13上方某一固定的位置。通过将两个磁铁以同极相对的方式设置在浮子14和光纤传感器15的相对面上，来感测浮子14的高度变化。当浮子室13中水位发生变化时，浮子14的高度发生变化，在浮子14与光纤传感器15之间的排斥力会引起光纤传感器15发生形变，从而改变信号的光学性质。信号处理设备2通过分析信号的变化可以还原出浮子14与光纤传感器15之间的相对位置变化，从而计算出浮子室13内的水位高度。

[0033] 如图2所述，信号处理设备2包括光调制解调模块21和处理单元22，光纤传感器15通过光缆30与光调制解调模块21的输入端连接，光调制解调模块21的输出端与处理单元22连接。其中，光调制解调模块21用于接收光缆传输的信号，并将其转变为电信号，并由处理单元22进行计算，获得一次降水过程的强度变化、起止时间和降水量。

[0034] 下面对采用光纤传感器15的虹吸式雨量计的测量过程进行介绍。当降雨发生时，承雨器11接收到的雨水经漏斗12流入浮子室13，浮 子14随浮子室13内水位升高而上升，浮子14移动的过程中，引起光纤传感器15发生形变，改变信号的光学性质，光纤传感器15实时地将信号传输至信号处理设备2，从而记录整个降雨过程。当浮子14上升到一定高度时，浮子室13内的水位达到虹吸高度，虹吸管17发生虹吸，将浮子室13内的雨水排出。虹吸结束时，浮子14归零位，随着降雨的进行，浮子室13内的雨水开始新一轮的积聚，同时，光纤传感器15将光信号发送至信号处理设备2进行降雨记录，如此重复。信号处理设备2中的光调制解调模块21接收到光纤传感器15的信号，对其进行解调，获得实时信号，通过实时信号与原始信号的对比，判断浮子室13内的水位高度，记录水位的变化曲线，并通过该曲线计算出降雨时间、降雨量及降雨强度。

[0035] 第二实施例：

[0036] 翻斗式雨量计包括光纤雨量筒1和信号处理设备2，该实施例中信号处理设备2的结构与第一实施例相同，在此不再赘述。

[0037] 如图3所示，光纤雨量筒1包括承雨器41、位于承雨器41下方的漏斗42和位于漏斗42下方的翻斗机构43。结合图4可知，翻斗机构43具有设置在底座支架44上的分水器43A和分别设置于分水器43A两侧的两个翻斗盘43B，翻斗机构43通过轴承43C与底座支架44可旋转地连接。在分水器43A上设置反射镜面55，将光纤光栅传感器45设置在漏斗42的外侧或者将光纤光栅传感器45设置在分水器43A附近的其他位置，光纤传感器45中具有接收光纤，用于接收经过反射镜面55反射的光纤，光纤传感器45通过光缆60与信号处理设备2连接。当翻斗机构43发生翻转时，光纤传感器45的信号发生变化，通过分析信号的变化可以获得翻斗机构43的翻转次数。

[0038] 在光纤雨量筒中还包括底座52，底座52上设有对应翻斗盘43B的盛水器皿46，为了保证翻斗机构43的正常翻转，可以在翻斗机构43上设置用于调节翻斗机构43平衡的调平装置。

[0039] 此外，为了同时保证翻斗式雨量计在中小雨及强降雨时的测量精度，可以在翻斗雨量计中同时设置两套翻斗机构，两套翻斗机构中的翻斗盘采用不同的预设值。例如图3中所示，在盛水器46下方设置出水口，并在该出水口下方依次设置漏斗47、翻斗机构48、用于固定 翻斗机构48的底座支架49和盛水器皿51，盛水器皿51固定在底座52上，在底座52上方可以设置圆柱形的不锈钢外壳，将整个光纤雨量筒包裹于外壳内，防止上述机械结构因生锈或者杂质阻塞而停止正常翻转。

[0040] 同理，可以在翻斗机构48上设置反射镜面55，并将光纤光栅传感器50设置在漏斗47外侧。当翻斗机构48发生翻转时，光纤传感器50中的接收信号发生变化，通过分析信号的变化可以获得翻斗机构48的翻转次数。在该雨量计中，将翻斗机构43中的翻斗预设值设定为较小的值，例如0.1mm，将翻斗机构48的翻斗预设值设为相对较大的值，例如0.5mm或者
1mm，这样可以同时保证大雨和小雨的测量精度。

[0041] 下面对采用光纤光栅传感器45和50的翻斗式雨量计的工作过程进行介绍。承雨器41接收降雨，并通过漏斗42和分水器43A进入翻斗盘43B中，当翻斗盘43B中的雨水达到预设值时，翻斗机构43在雨水的重力作用下翻转，倒空翻斗盘43B中的雨水，同时由另一个翻斗盘43B开始接收雨水。在翻斗机构43的翻转过程中，反射镜面55发生倾斜，光路发生改变，光纤光栅传感器45接收的光信号发生改变，从而光纤光栅传感器45实现一次计数。在降雨过程中，翻斗机构43不断翻转，使得光纤光栅传感器45不断计数，从而实现降雨量的累积和统计。翻斗机构48和光纤传感器50的工作过程与上述翻斗机构43和光纤传感器45的工作过程类似，唯一的区别在于，光纤传感器45和50发生一次计数，所对应的降雨量不同，分别等于对应翻斗机构的翻斗预设值，通过翻斗预设值和翻斗次数可以计算出降雨量。

[0042] 第三实施例：

[0043] 称重式雨量计包括光纤雨量筒1和信号处理设备2，该实施例中的信号处理设备2的结构与第一实施例相同，在此不再赘述。

[0044] 如图5所示，该实施例中光纤雨量筒1具有密封的外壳70，在外壳70上侧的开口处，设有承雨器71，漏斗72位于承雨器71的下方，并与承雨器71连接，漏斗72的下端伸入储水罐73底部。在外壳10内设置称量架74，储水罐73设置在称量架74上方，在称量架74上对应于储水罐73的位置设置有光纤光栅传感器75，光纤光栅传感器75通过测量称量架74在雨水作用下的形变量来获得储水罐73内雨水 的重量。光纤光栅传感器75通过光缆80与信号处理设备2连接。此外，在储水罐73的底部设置有虹吸管76的入水口，虹吸管76与储水罐73连通，当储水罐73内的水位达到虹吸高度时，虹吸管76用于迅速排空储水罐73内的雨水。

[0045] 下面对该称重式雨量计的测量过程进行介绍。当降雨发生时，承雨器71接收到的雨水经漏斗72流入储水罐73；随着储水罐73内雨水的增加，称量架74发生弯曲变形，设置在称量架74上的光纤光栅传感器75也发生形变，从而改变光纤光栅传感器75中的信号；通过对光纤光栅传感器75信号的实时监测，可以分析出称量架74的形变量，从而测得称量架74上方储水罐73内雨水的重量，获得实时降雨量。当储水罐73内雨水积聚到一定高度时，水位达到虹吸高度，虹吸管76发生虹吸，将储水罐73内的雨水排出。虹吸结束时，光纤光栅传感器75的信号恢复，随着降雨的进行，储水罐73内的雨水开始新一轮的积聚，同时，光纤光栅传感器75将信号发送至信号处理设备2进行降雨记录，如此重复。信号处理设备2中的光调制解调模块21接收到光纤传感器15的信号，对其进行解调，获得实时信号，通过实时信号与原始信号的对比，判断储水罐73中雨水的重量，从而获得降雨量。

[0046] 上面对三种雨量计中采用光纤传感器对降雨量进行测量的过程进行了详细描述。同理，还可以将光纤传感器用于其他类型的雨量计进行测量，而上述实施例中采用光纤光栅传感器也可以用其它光纤传感器来取代。

[0047] 本发明所提供的雨量计中包括含有光纤传感器的光纤雨量筒1和信号处理设备2，可以将多个光纤雨量筒1通过光缆与同一信号处理设备2连接，从而利用一个信号处理设备2对多个雨量计的雨量测量结果进行记录和分析，简化了雨量计的设备。而在铁路防灾雨量监测系统中，需要布置多个野外雨量监测点。因此，本发明还提供了一种利用上述雨量计的铁路防灾雨量监测系统，包括布设在不同野外雨量监测点的多个光纤雨量筒1和设置在监控中心的信号处理设备2，多个光纤雨量筒1与信号处理设备2通过光缆连接。具体来说，如图6所示，可以将n个光纤雨量筒（光纤雨量筒1到光纤雨量筒n）布置 在不同的雨量监测点，而将信号处理设备2设在监控中心，通过光缆将所有光纤雨量筒与该信号处理设备2连接，将信号处理设备2与监控中心的中央处理设备和显示设备连接，从而实现对多个雨量监测点的降雨量的实时监测。这种雨量筒的布置方式便于对多个监测点的整体监控，不仅在雨量监测点实现了雨量测量设备的无源化，无需远程供电，而且利用光缆传输信号，可以避免工频信号等对信号的干扰，抗干扰能力强，可靠性高。

[0048] 综上所述，本发明公开了一种采用光纤测量的雨量计，并同时提供了一种铁路防灾雨量监测系统，包括光纤雨量筒和信号处理设备，光纤雨量筒中包括用于测量雨量的光纤传感器，光纤传感器通过光缆与信号处理设备连接。该雨量计通过光纤传感器测量降雨量，并通过光缆进行信号传输，避免了传统雨量计在雨量监测点需要配置电源的要求，实现了设备的无源化。此外，可以将多个光纤雨量筒布置于野外不同的雨量监测点，并通过光缆将多个光纤雨量筒与设于监控室的同一信号处理设备连接，实现对野外降雨的监测，使得铁路雨测量系统的布置更为简单和便捷，并且通过光缆传输信号，使得数据的传输过程不易受到外界信号干扰，具有高的可靠性。

[0049] 上面对本发明所提供的采用光纤测量的雨量计和采用该雨量计的铁路防灾雨量监测系统进行了详细的说明。对于本领域普通技术人员来说，在此基础上所做的任何变化，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。