LHAASO-WFCTA中高灵敏度雨雪传感器的研制

吕智骁，于正航，杨宜林，陈博旸，汪永福，陈 龙*，祝凤荣，张 勇

(1. 西南交通大学，四川 成都 611756；2. 中国科学院高能物理研究所，北京 100049)

高海拔宇宙线观测站[1]是国家重大科技基础设施，也是世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最高的宇宙射线探测装置，主要由平方公里阵列(Square Kilometre Array, SKA)、水切伦科夫阵列(Water Cherenkov Detector Array, WCDA)和广角切伦科夫阵列组成[2-4]。广角切伦科夫望远镜阵列[5]包含18台广角切伦科夫望远镜，主要科学目标是精确测量膝区宇宙线的成分及能谱，能量范围覆盖30 TeV到若干EeV[4]。由于广角切伦科夫望远镜含裸露电子元件及光学元件[6]，在夜间工作时极易受到天气的影响。如果在雨雪天气时运行，会对望远镜造成不可逆的损坏，因此安排工作人员日夜值守，应对突发情况。

基于以上因素，我们研制了高灵敏度雨雪传感器。将其布置于广角切伦科夫望远镜周围的不同位置，能在下雨或下雪后及时判断雨雪信号，实现对望远镜工作环境的实时监测，并反馈给工作人员，提高工作人员判断的准确性。这样便能在无人值守的情况下及时知晓天气情况，关闭望远镜。

1 稻城天气情况

稻城位于四川省西南部，青藏高原东南，横断山脉中部(图1(a))，地处亚热带气候带。青藏高原地形复杂，地势落差较大，属于高原季风气候，一年中的晴朗天气居多，夏天雨水丰富[7]。LHAASO站点的气象站获取的2021年气象参数如图1。稻城在5～9月份降雨量丰富(图1(b))，而望远镜也常选择该时段进行维护保养。在其他时段，稻城少雨雪，如果有，也常在夜间降落，这给夜间值班人员带来了挑战，所以需要高灵敏度雨雪传感器来及时反馈降雨情况，及时打开或关闭望远镜。

图1 (a)LHAASO站点的地理位置；(b)2021年LHAASO气象站实测每月的降雨情况；(c)2021年LHAASO气象站实测每月的温度情况；(d)2021年LHAASO气象站实测每月的风速情况Fig.1 (a)The geographical location of LHAASO；(b)monthly rainfall measured by LHAASO Meteorological Station in 2021；(c)monthly temperature measurement at LHAASO Meteorological Station in 2021；(d)monthly wind speed measured by LHAASO Meteorological Station in 2021

稻城的最低气温能达到-20 ℃至-25 ℃，如图1(c)，所以在进行雨雪传感器的相关试验时需要测试在-25 ℃或者低于-25 ℃时雨雪传感器的工作情况。由于在冬季稻城气温过低，如果遇到降雪天气，雪不易融化成水使雨雪传感器发生响应，所以需要在雨雪传感器的基础上设计加热带，保证雨雪传感器能够高效稳定工作[7]。

稻城在4～6月份风速较大，如图1(d)，为了保证在风速较大时能够稳定工作，我们需要在雨雪传感器上设置防风装置。通过天气数据分析，稻城所处地理位置天气变化剧烈，所以需要以高灵敏度雨雪传感器来及时地检测降雨和降雪情况[7]。

2 雨雪传感器加热装置的设计

2.1 雨雪传感器工作原理

雨雪传感器工作原理是将雨水作为导体使雨雪传感器表面的栅形电极短路从而触发信号[8]，然后将信号转换后通过电脑程序采集判断下雨情况。我们在未来的工作中把雨雪传感器耦合至广角切伦科夫望远镜阵列控制系统。控制流程如图2。首先，服务器不定时自动发送查询指令。传感器会对是否有雨进行判断，并向以太交换机发送相应的十六进制指令，该指令可以表示若干个传感器的检测状态。然后，以太网交换机再将信号发送回服务器。

图2 雨雪传感器工作流程示意图Fig.2 The work flow of rain and snow sensor

由于高海拔宇宙线观测站环境恶劣，海拔高，接线的成本和难度较高。因此，我们将雨雪传感器连接以太网交换机，再连接服务器。以太网交换机采用Moxa ioLogik E1210，在远程自动化应用中，可以直接将远端传感器的值镜像至本地，直接传输输入值至输出通道，大幅度简化布线工程，降低成本。除了点对点、节省时间和布线成本低的优点以外，我们还可以定义Modubs/TCP地址，简化配置，提升灵活性，提升数据传输的准确度。该以太网交换机具有Modbus协议，可以支持多种电器接口，例如RS-232和RS-485[9]。我们主要采用的RS-485具有抗干扰能力强、传输距离远等优点。

在高海拔宇宙线观测基地，服务器通过查询指令，不断问询雨雪传感器。为保证可靠性，我们定义如果5台中的3台感受到雨雪，就确认有雨或雪，触发报警系统；反之，继续发送查询指令。雨雪传感器耦合至广角切伦科夫望远镜系统中，可以方便夜间值班人员及时有效地观察各数据指标，进行下一步操作。

2.2 设计需求

综合考虑LHAASO站点的实际情况，我们总结了4个设计需求。

2.2.1 防范雪无法融化

由于雨雪传感器需要雨水作为导体使雨雪传感器表面的栅形电极短路从而触发信号，单纯的雪难以将栅形电极形成短路，所以需要将雪融化成水，雨雪传感器才能保持正常工作。但雨雪传感器自身携带的加热系统加热功率过小，无法满足这一需求，需要在雨雪传感器上方连接一个加热带，加速雪的融化。同时由于稻城天气多风，加热带需要有一定的防风作用，防止积雪在融化成水之前被大风吹走，由此保证在下雪天及时收到雨雪感应器发出的信号。

2.2.2 防范雾霜天气

雾和霜溶化成水滴落到雨雪传感器上，同样会触发雨雪传感器，这种触发称为错误触发。在雨雪传感器上方设置加热带可以加速空气中的水分蒸发，保证雨雪传感器表面的温度一直维持在0 ℃以上，有效防止霜的形成，进而防止错误触发。

2.2.3 促进水分蒸发

当下雨和下雪后，在排水及时的情况下，仍有雨水附着在雨雪传感器表面，这样传感器一直处于短路状态，即使在晴天也可能报告有雨(雪)的信号，影响正常工作。加热带会促进积水和积雪的蒸发融化，当天气转晴时表面积水和积雪尽快蒸发融化，及时报告准确的天气情况。

2.2.4 加热装置紧密固定

由于雨雪传感器需要放置在室外，稻城县海子山的风速最高可达到13.2 km/h，可能有加热装置脱落的风险。因此，我们需要保证加热装置能够牢牢固定在雨雪传感器上，雨雪传感器在任意时刻能正常工作。

2.3 加热带的尺寸、形状与固定

为使加热带具有一定防风作用，我们将加热带围成一个柱体或者台体。同时，我们也需要保证有足够的雨雪可以落到雨雪传感器表面，所以加热带需要围成一个上底宽、下底窄的无底面圆台形状。同时，在下雨和下雪时，若雨雪传感器连接了加热带，势必会存在大量积水。如果不能及时排除，积水会导致雨雪传感器的栅形电极一直处于短路状态，影响后续工作。所以，我们在圆台型加热带的底部切割一个半圆形排水孔，可以及时将积水排出。当天气转晴时可以及时传递正确的信号，大大提高了工作效率。

最终设计的加热带各项参数如表1，形状示意图如图3(a)，上宽下窄并且下表面切割出3个半圆形排水孔的圆台。雨雪传感器底部有均匀分布的调平螺丝。我们在圆台形加热带的下沿安装3个均匀分布的铁环，将铁环压在螺丝下面，然后将螺丝固定。通过这样的方式把加热装置和感雨器连接起来(图3(b))。这样利用雨雪传感器本身的组成成分同加热带进行固定，整个机构更加稳定，可以保证加热带在各种天气环境下稳定工作。

表1 加热带各项参数Table 1 Parameters of band heater

图3 (a)加热带示意图；(b)雨雪传感器俯视图Fig.3 (a)Schematic diagram of band heater；(b)top view of rain and snow sensor

通过上述设计，最终加热带设计成一个上宽下窄的无底面圆台形，在下沿加上3个均匀分布的铁环，并在圆台形加热带下侧切割出一个半圆形排水孔，如图4。

图4 (a)雨雪传感器的完整示意图；(b)传感器完整结构实物图Fig.4 (a)Complete schematic diagram of the rain and snow sensor；(b)picture of the complete structure of the rain and snow sensor

3 温度和功率测试

完成对加热带的初步设计后，为了雨雪传感器能够正常工作，我们需要进行一系列实验室试验，选择加热带的工作功率，确定合适的加热温度，并在稻城高海拔野外极端环境下进行实地试验，测试该设计是否满足实际需求。

3.1 加热带功率选择

根据以往的温度数据，我们首先选择40 W的加热带，以前述方式固定在雨雪传感器上。在实验室试验中，我们使用可以将内部环境温度降至-30 ℃的恒温箱。若雨雪传感器上加热带可以在-30 ℃的环境下达到合适的温度，则该功率的加热带符合要求。

我们将固定了40 W功率加热带的雨雪传感器置于恒温箱[10]内，分别把两个温度探头固定在加热带表面并静置在恒温预设加热箱内部。我们分别设定加热温度为40 ℃，50 ℃和60 ℃，开启恒温箱并降温到-30 ℃。待温度稳定后，调整恒温箱内的温度升高10 ℃，重复这一步骤，直到恒温箱的温度升高到10 ℃左右。通过温度传感器可以检测加热带表面以及恒温箱内部温度随时间的变化情况。最后试验结果显示，在所有的预设加热温度情况下，均不能实现表面加热至零上，需要使用更大功率的加热带。

我们随后按照上述方法依次试验了功率为50 W，60 W和150 W的加热带，发现在环境温度降至-30 ℃时，加热带表面温度均不能实现稳定在0 ℃以上。从上述试验结果可以得到，以上功率的加热带均不能使雨雪传感器在-30 ℃的环境下正常工作。

分析前述试验结果，粗略估计需要200 W以上的加热带，才能满足实际需求。结合市面上可供选择的型号，我们最终使用245 W的加热带再次进行试验。分别预设加热带的加热温度为40 ℃，50 ℃和60 ℃，重复上述测试。测试温度曲线如图5。

图5 不同加热功率时加热带表面的温度。(a)40 W；(b)245 WFig.5 The surface temperature of the band heater at different heating powers. (a)40 W；(b)245 W

在本次实验室试验中，功率为245 W的加热带可以在环境温度降至-30 ℃时，将加热带表面加热至30 ℃，加热带表面的雪能够融化成水，再经过加热带表面滑落至雨雪传感器表面，达到监测雨雪天气的目的。

3.2 加热温度设置选择

通过前述试验，我们最终选择245 W作为合适的功率。但我们还需要找到一个合适的加热带预设加热温度，使雨雪传感器的表面温度能够维持在10 ℃左右。在此温度下，落雪可以融化成水，同时雨水不会快速蒸发，有较高的灵敏度。

我们通过进行温控试验找到加热带合适的预设温度。将245 W的加热带固定在雨雪传感器上，分别将加热带的温度预设为50 ℃和60 ℃，进行相同步骤的试验，得到的温度曲线如图6。

图6 不同预设加热温度时，探测器表面的温度曲线图。(a)50 ℃；(b)60 ℃Fig.6 Temperature curve of the sensor surface at different preset heating temperatures. (a)50 ℃；(b)60 ℃

通过图6可以看到，在-30 ℃的环境温度下，对于功率为245 W的加热带，预设温度为50 ℃时，雨雪传感器表面温度在3～5 ℃左右波动，但为保证不解霜，并且可以快速地融化雪，需要更高的温度，所以也不符合条件。当预设60 ℃时，加热带可以使雨雪传感器表面保持在15 ℃左右，有效保证落雪的融化，且避免了因为温度太高过快蒸干水分而导致监测失灵。分析不同预设温度情况下的数据图得到，预设加热温度为60 ℃时效果良好，符合实际要求。

3.3 稻城实地测试试验

在确定合适的加热功率和预设加热温度后，我们在位于稻城的观测基地进行实地测试，以稻城真实天气情况进行测试，在前述实验室试验研究中所得的加热带合适功率和合适预设温度确保雨雪传感器在站点正常使用。

我们将加热功率为245 W，预设温度为60 ℃的加热带以前述试验中相同的方式固定在雨雪传感器上，把整个装置固定在稻城高海拔宇宙线观测站室外合适位置，雨雪传感器持续工作后静置一昼夜，得到温度曲线如图7。

图7 雨雪传感器温度曲线图。图中红色曲线是雨雪传感器表面温度，蓝色曲线是环境温度Fig.7 Temperature curve of rain and snow sensors. Curves of the surface temperature (red line)and the ambient temperature (blue line)of the rain and snow sensor

由图7可以看到，在稻城的实际天气情况下，对于固定了加热功率为245 W、预设温度为60 ℃加热带的雨雪传感器，表面温度能够达到10 ℃左右，可以有效保证落雪融化，且避免了因为过快蒸干水分而导致的检测失灵。

通过综合分析实地试验的温度数据，加热功率为245 W、预设温度为60 ℃的加热带能够确保雨雪传感器在稻城实际天气情况下正常工作，符合实际要求，可以在观测基地正常使用。

4 结论与展望

雨雪传感器通过将物理信号转化为电信号，及时反馈观测站的降雨情况，本文设计的加热装置可以保证雨雪传感器在实际天气情况下正常工作。通过在不同环境下测试，保障了雨雪传感器功能的可靠性。经过在稻城的长期测试，该雨雪传感器能够正常运行，满足实际需求。雨雪传感器的研制，实现了对望远镜工作环境的实时监测，在无人值守的情况下，能够知晓天气情况，及时提供预警信号，关闭切伦科夫望远镜，提高工作人员判断的准确性。