數(shù)字型電容感應(yīng)式冰層厚度傳感器與系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其在黃河和南極中山站冰情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.pdf

1、基于空氣、冰與水的物理特性差異實(shí)現(xiàn)冰情自動(dòng)檢測(cè)是由太原理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)研所冰情檢測(cè)課題組提出并在南極成功獲得應(yīng)用的新型冰情檢測(cè)方法。從這一基本原理出發(fā)，采用基于空氣、冰與水的介電特性差異實(shí)現(xiàn)對(duì)海冰厚度的觀測(cè)是對(duì)這一新方法的拓展和創(chuàng)新。在本論文研究過(guò)程中，通過(guò)對(duì)空氣層、冰層和冰下水層電容值進(jìn)行分層測(cè)量，作者于2011年設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冰層厚度與水位高度自動(dòng)檢測(cè)的電容感應(yīng)式冰情檢測(cè)傳感器，該傳感器于2011-2012冬季在黃河萬(wàn)家寨水利

2、樞紐進(jìn)行了整個(gè)冬季的連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)冰情監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的分析后發(fā)現(xiàn)，盡管設(shè)備檢測(cè)冰層厚度的基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但由于傳感器本身的結(jié)構(gòu)，采集和處理電路的設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)的后續(xù)發(fā)送和處理等方面存在著這樣或者那樣的不足，極大地影響了對(duì)野外環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)冰情檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。為此，我們結(jié)合實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)河冰和海冰數(shù)據(jù)采集的要求，重新設(shè)計(jì)、研制了數(shù)字型電容感應(yīng)式冰層厚度傳感器及系統(tǒng)并實(shí)地應(yīng)用于黃河萬(wàn)家寨水利樞紐和南極中山站冰水情監(jiān)測(cè)中。本文所設(shè)

3、計(jì)的數(shù)字型電容感應(yīng)式冰層厚度傳感器不僅在數(shù)據(jù)采集原理上不同于其他傳感器，而且對(duì)傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形都進(jìn)行了重大改進(jìn)，對(duì)采集和處理電路進(jìn)行了優(yōu)化;同時(shí)，還對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和后續(xù)處理程序都做了進(jìn)一步的改進(jìn)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可靠性。
　　 本研究主要內(nèi)容包括：首先，通過(guò)查詢大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)當(dāng)今國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有冰水情檢測(cè)方法進(jìn)行研究分析，對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了基于空氣、冰和水不同的電容特性的冰水情檢測(cè)系統(tǒng)。

4、其次，對(duì)被測(cè)介質(zhì)—空氣、冰和水的電容特性進(jìn)行研究，根據(jù)空氣、冰和水不同的電容特性對(duì)數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)字型電容感應(yīng)式冰層傳感器進(jìn)行機(jī)理分析，這是冰層厚度傳感器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，它是電容感應(yīng)式冰情檢查系統(tǒng)的核心部分。然后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)已設(shè)計(jì)出的不同類型量程的傳感器進(jìn)行可行性研究。根據(jù)具體實(shí)際工程需要成功研制了不同量程數(shù)字型電容感應(yīng)式冰層厚度傳感器及其系統(tǒng)，主要包括:數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)字型冰層厚度傳感器硬件電路和幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及傳感器部分的封裝加工;

5、數(shù)據(jù)處理部分的硬件電路設(shè)計(jì)和主子程序編譯;數(shù)據(jù)發(fā)送部分的A-GPRS1090I的無(wú)線采集模塊和GPS數(shù)據(jù)透?jìng)髂K的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)置;數(shù)據(jù)接收部分的上位機(jī)接收處理軟件的設(shè)計(jì)等。最后，介紹了現(xiàn)場(chǎng)安裝情況，并分別對(duì)數(shù)字型電容感應(yīng)式冰層厚度傳感器及其系統(tǒng)在黃河萬(wàn)家寨水利樞紐和南極中山站的應(yīng)用及其采集數(shù)據(jù)的情況進(jìn)行了分析研究。在導(dǎo)師和冰情檢測(cè)課題小組的協(xié)助下，通過(guò)將近兩年的努力，完成了最初預(yù)定的各項(xiàng)研究目標(biāo)，成功的應(yīng)用于南極第28次科考，并