稱重式降水傳感器現場測試軟件設計

關鍵詞：稱重式降水傳感器；現場校準；氣象裝備維護

中圖分類號：P412.1 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）11-0012-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.003

Design of On-Site Testing Software for Weighing Precipitation Sensors

WANG Tanshuai YU Chuanyang SONG Bo （Liaocheng Meteorological Bureau，Liaocheng 252OoO， China）

Abstract：[Purposes] In order to improve the detection eficiency of the weighing precipitation sensor，a test software was developed in this study.This software is used to support business personnel in conducting on-site testing work using standard weights.[Methods] The system was developed based on the hybrid programming architecture of C# and Python.The C# serialPort component was utilized for sensor data acquisition and device control， while the Python openpyxl library was employed to creat an automated test certificate generation module，forming a comprehensive on-site testing solution.[Findings] Field testing and validation at multiple national meteorological stations in Liaocheng City confirmed that all functional indicators ofthe system meet on-site testing requirements，with a data communication success rate of 100% .[Conclusions] The system is compatible with the on-site testing requirements of the weighing precipitation sensors of the DSC1 and DSC2 series，and has the functions of sensor debugging and fault diagnosis.Practical applications demonstrate that this solution significantly has significantly improved the quality control level of meteorological observation operations，technical support efficiency， and equipment maintenance effectiveness，providing effctive technical support for the construction of an intelligent meteorological equipment maintenance system.

Keywords： weighing precipitation sensor; on-site calibration; meteorological equipment maintenance

0 引言

稱重式降水傳感器是一種適用于固態、液態及混合態降水測量的全自動觀測儀器，可實現降水總量與強度的全天候監測，尤其在冬季降雪觀測中有效提升了數據精度與時效性。市氣象局目前共有1個國家基準氣候站、7個國家基本氣象站及124個區域自動氣象站。其中，國家基準氣候站和國家基本氣象站均配備了稱重式降水傳感器，而區域自動氣象站中也有5個臺站配置了稱重式降水傳感器。上述臺站的稱重式降水傳感器型號均為DSC1型或DSC2型，市國家級臺站實現降水全天候自動觀測。DSC1和DSC2型傳感器既可獨立運行，亦可作為核心組件接人自動氣象站系統。然而，傳感器長期暴露于復雜氣象環境中，機械磨損、電子元件老化、傳感器污染等問題可能導致測量值漂移。根據《地面氣象自動觀測規范（第一版）》要求，須每年進行一次現場校準以確保觀測數據的準確性與可靠性[2]。匡昌武等[3設計了具有校準功能的能見度儀現場校準系統軟件，并利用系統對海南省多個臺站的能見度儀進行現場校準。同時，該軟件也可用于設備故障檢測；魏邦憲等4以DSC3型稱重式降水傳感器為例，依據其結構及工作原理，向收集容器注入不同水位，控制流量模擬不同雨強，從而對稱重式降水傳感器進行現場校準；陳國強等5提出了采用質量塊稱重對稱重式降水傳感器進行校準的方法，并對該方法進行了現場測試及校準結論的檢驗。

傳統的校準流程依賴SSCOM串口助手等通用工具，需手動配置通信參數（如波特率、校驗位等）、逐條輸入校準指令并人工解析數據，存在操作步驟煩瑣、學習成本高、易引入人為誤差等問題。針對上述問題，本研究基于C#和Python語言開發了一套集成化稱重式降水傳感器現場校準系統，采用標準砝碼加載法，通過指令自動發送、數據實時解析及證書一鍵生成功能，實現校準流程的標準化與智能化，為地市級氣象計量業務提供了高效的技術支撐。

換為電信號；數據處理單元負責對稱重單元數據進行采樣，并計算；通信模塊則支持RS232/485接口與脈沖信號，可靈活適配不同型號的自動氣象站采集器。

1.2稱重式降水傳感器原理

稱重式降水傳感器通過測量落到盛水桶中降水的質量，根據水的密度換算成降水的體積，再根據承水口面積計算出盛水桶中收集的降水量[]。DSC1型傳感器采用壓力應變稱重技術，表面基于電阻應變技術。通過外力作用導致敏感梁彈性變形，使表面電阻應變片的阻值發生線性變化，經測量電路轉換為電信號后計算質量值。DSC2型傳感器基于振弦技術，通過弦絲振動頻率與載荷的對應關系，結合預設公式直接計算降水量。

1.3稱重式降水傳感器現場校準方法

校準前進行傳感器外觀質量檢驗，采用目視檢測法對設備表面完整性及標識系統進行核查。其中包括傳感器外殼無結構性損傷、各部件裝配穩固無松動、銘牌標識（型號、唯一性編號、生產廠家）字跡清晰可辨識，所有檢測結果均須完整記錄于專用表格中。針對承水口內徑關鍵參數，本研究使用精度 0.02mm 的游標卡尺進行內徑測量。分別在承水口互成 120^° 的三個位置測量其內徑，取三次測量算術平均值作為最終結果（保留小數點后一位）。

市使用的稱重式降水傳感器型號為DSC1和DSC2兩種，本研究共設置了8個校準點，分別為10mm，30mm，200mm，210mm，230mm，370mm. 380mm?400mm 。校準實施采用標準砝碼加載法，通過質量一降水量轉換公式，實現不同降水量的精確模擬。

1稱重式降水傳感器簡介

1.1稱重式降水傳感器結構組成

DSC1、DSC2型稱重式降水傳感器主要由稱重單元、處理單元及外圍組件構成，如圖1所示。其中，稱重單元為核心測量部件，負責將機械載荷轉

2現場校準系統設計與實現

2.1數據通信接口配置

DSC1、DSC2型稱重式降水傳感器均采用RS232通信協議，傳感器內部采集器預留RS232九針接口。校準過程中通過RS232交叉線和USB轉

RS232串口線，即可連接筆記本電腦進行數據讀取，傳感器和計算機接線如圖2所示。

2.2串口通信參數設置

系統基于VisualStudio2022平臺開發，利用C#語言進行界面設計，并調用SerialPort組件實現串口通信，使用GetPortNames方法自動識別串口號。DSC1、DSC2型傳感器通信參數均默認為9600波特率、8位數據位、無校驗位、1位停止位，系統在初始化時自動加載上述參數，用戶僅需選擇對應串口號并點擊“連接”按鈕即可建立通信鏈路。

2.3校準命令發送與數據解析

校準命令的發送通過事件驅動機制實現。用戶點擊GUI界面功能按鈕后，系統將指令文本寫入發送緩沖區，并通過SerialPort.Write（方法發送至傳感器，點擊“DMPR\"按鈕即可實現“DMPR\"命令的發送，具體如圖3所示。為保障指令傳輸的可靠性，每條指令末尾附加回車換行符 ，確保傳感器能夠正確解析指令內容。

計算器在接收傳感器響應數據時通過DataRe-ceived事件異步接收，系統調用SerialPort.ReadEx-isting（方法讀取緩沖區內的原始字符串數據，利用空格將字符串分割為數組，并從數據中提取相關數據，從而實現重量或頻率值到降水量的自動轉換。

2.4校準證書生成模塊

證書生成模塊基于Python的openpyxl庫開發，通過動態讀寫Excel模板實現以下功能。從配置文件中加載標準器信息（如砝碼編號、檢定日期）；自動填充傳感器型號、臺站區站號；將校準數據按預設格式寫人表格，并計算示值誤差與重復性指標；生成PDF格式證書，文件名遵循特定規則，確保檔案管理規范性。

3校準方式對比與效能分析

傳統方法依賴SSCOM串口助手如圖4所示，其操作流程存在顯著局限性。首先，計量業務人員需在每次校準前手動配置波特率、數據位、校驗位及停止位等通信參數，并逐一選擇串口號；其次，需在放置砝碼后人工輸入“DMPR”等校準指令，隨后將傳感器返回的串口數據手動復制至Excel表格進行后續處理。該流程不僅要求操作人員熟練掌握不同型號稱重式降水傳感器的通信參數、命令返回值格式及硬件連接方式，還需頻繁進行重復性操作。此類方法不僅學習門檻高，且存在工作量大、易因人為疏漏導致數據誤差等問題，嚴重制約了校準效率與可靠性。

本研究設計的系統操作界面如圖5所示。該系統可實現一鍵式操作，用戶僅需錄入核查環境、標準器等相關信息，并點擊功能按鈕，系統即可自動完成通信配置、指令發送及數據解析，顯著提升工作效率。校準完成后，系統自動生成標準化證書。

4現場校準數據分析

本研究利用標準砝碼模擬降水量對市6個臺站的稱重式降水傳感器進行了校準測試。經測試，6個臺站的外觀和承水口內徑均合格，且6個站的相對誤差平均值為 0.2% 。同時，在8個校準點的誤差也均 ?4.0% 。其中 10mm 和 30mm 測試點的相對誤差最小，最大的相對誤差出現在冠縣站的370mm 和 380mm 測試點，詳細測試數據見表1。

5結語

利用本研究設計的校準系統對市多個國家級臺站的稱重式降水傳感器進行現場測試，測試過程中業務人員反映該系統相較于之前的校準方式更加方便快捷，不易出錯。稱重式降水傳感器現場校準系統的設計與開發，實現了稱重式降水傳感器的自動化校準，使計量業務人員在現場校準的過程中免于手工輸入校準命令和填寫校準證書，縮短了校準時間，提高了校準準確率。實際應用表明，該系統可顯著降低校準工作對人員經驗的依賴，未經專項培訓的技術人員經1h培訓后即可獨立操作。未來擬進一步擴展系統功能，如增加無線通信模塊，支持數據回傳；集成人工智能算法，實現傳感器故障預診斷；適配更多型號傳感器，推動氣象計量業務的全面智能化升級。

參考文獻：

[1]宋波，李楠，李雪源，等.基于國家基本氣象站無人值守模式的探討[J].河南科技，2023，42（10）：101-105.

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[3]匡昌武，陸土金，崔學林，等.DNQ1型前向散射能見度儀現場校準系統設計[J].國外電子測量技術，2020，39（8）：105-108.

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[5]陳國強，朱海燕，文斌青.稱重式降水傳感器校準方法研究[J].青海科技，2021，28（4）：81-84.

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