最大速度，是雨滴下落时重力和空气阻力平衡时雨滴的速度。空气对雨滴的阻力有粘性阻力
和压差阻力两种。粘性阻力公式为

ρSCd，经计算得：（见表 1） 

　　由收尾速度的计算公式可以看出：（

1）极小的雨滴在下落过程中就会消失或者被大雨

滴吸收。测量过程中得到的小雨滴可能是大雨滴分裂出来的。（

2）一般降雨雨滴半径分布在

0.5mm～1.8mm 之间，通过计算可以得知雨滴的收尾速度在 1.05m/s～13.61m/s。 
　　

3 测试结果与分析 

　　用水滴代替雨滴，仿真降水过程，将水滴从测量光路上空滴下，下降过程通过测量区
域。当水滴经过测量平面时，根据线阵

CCD 上的各点光强分布，被雨滴遮挡处的光强急剧

下降，根据被遮挡的像素个数，可以计算出雨滴的直径。图象显示估计出被遮挡

CCD 像素

为

240 个，所以水滴的直径约为 3.36mm。当水滴特别接近 CCD 表面时，有异常现象发生，

即被遮挡的

CCD 像素上测量光强不减反增，在水滴中心处对应的 CCD 探测光强有所增加，

也可以由此信号来推测水滴的直径。图像显示估计被遮挡的像素个数约为

220 个，即水滴的

直径为

3.08mm。 

　　使用滤光片和透镜组成的光源整合器后，

CCD 的响应较为均匀。当滤光片表面粗糙度

较大时，测得

CCD 各像素上光强分布，光强分布较为均匀，此时测量水滴直径和速度，可

以看出噪声不是很大，背景干扰较小。利用此情况的光强分布，来测量多个雨滴下落过程中
雨滴参数。设置扫描频率为

100Hz，扫描次数为 1024，因此扫描结果为一幅 2048×1024 的灰

度图，灰度值代表相对光强。没有雨滴通过时的

CCD 扫描测量结果。可以看出，各像素点对

于的光强保持稳定，形成一条条竖线。当有水滴通过时，扫描结果发生变化，在扫描时间内，
共有

6 滴水滴通过了测量区域，其直径可以根据实验数据近似得出，查看测量数据，5 水

滴的直径分别为

2.53mm，2.30mm，2.52mm，2.64mm，2.16mm 和 2.44mm。也可以由计算

得到

5 水滴的速度分别为：0.24m/s，0.25m/s，0.25m/s， 0.27m/s，0.22m/s 和 0.31m/s。该雨

量传感器可以很好的检查出实际雨天的雨滴情况。并且由于

CCD 的分辨率较高，可以很好

的得到连续下落雨滴的下落情况。

 

　　

4 结语 

　　本文提出运用

LED 作为传感器光源，进行 LED 光学雨量传感器的光机电一体化系统

的整合与设计。利用设计得到的雨量传感器进行对雨滴下落的模拟测试及其对测试结果进行
后续的数据分析。得到了该结构的雨量传感器能够对雨滴进行测试的结论，说明了基于光电
检测原理的雨量传感器工作的可行性，为光学雨量传感器的开发提供了理论和技术基础。研
制可以提供雨滴谱等参数的光学雨量传感器，有着重要的理论意义和应用价值，并具有巨
大的经济效益和社会效益。

 

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