數(shù)字型電容感應式冰層厚度傳感器與系統(tǒng)設計及其在黃河和南極中山站冰情監(jiān)測中的應用.pdf

1、基于空氣、冰與水的物理特性差異實現(xiàn)冰情自動檢測是由太原理工大學測控技術研所冰情檢測課題組提出并在南極成功獲得應用的新型冰情檢測方法。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現(xiàn)對海冰厚度的觀測是對這一新方法的拓展和創(chuàng)新。在本論文研究過程中，通過對空氣層、冰層和冰下水層電容值進行分層測量，作者于2011年設計了一種可以實現(xiàn)對冰層厚度與水位高度自動檢測的電容感應式冰情檢測傳感器，該傳感器于2011-2012冬季在黃河萬家寨水利

2、樞紐進行了整個冬季的連續(xù)現(xiàn)場冰情監(jiān)測試驗，通過對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的分析后發(fā)現(xiàn)，盡管設備檢測冰層厚度的基本功能已經實現(xiàn)，但由于傳感器本身的結構，采集和處理電路的設計以及數(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，極大地影響了對野外環(huán)境現(xiàn)場冰情檢測結果的準確性和實時性。為此，我們結合實際工程現(xiàn)場對河冰和海冰數(shù)據(jù)采集的要求，重新設計、研制了數(shù)字型電容感應式冰層厚度傳感器及系統(tǒng)并實地應用于黃河萬家寨水利樞紐和南極中山站冰水情監(jiān)測中。本文所設

3、計的數(shù)字型電容感應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，而且對傳感器的內部結構和外形都進行了重大改進，對采集和處理電路進行了優(yōu)化;同時，還對數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和后續(xù)處理程序都做了進一步的改進，從而提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性和可靠性。
　　 本研究主要內容包括：首先，通過查詢大量相關文獻資料，對當今國內外現(xiàn)有冰水情檢測方法進行研究分析，對比其優(yōu)缺點，在此基礎上提出了基于空氣、冰和水不同的電容特性的冰水情檢測系統(tǒng)。

4、其次，對被測介質—空氣、冰和水的電容特性進行研究，根據(jù)空氣、冰和水不同的電容特性對數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)字型電容感應式冰層傳感器進行機理分析，這是冰層厚度傳感器設計的理論基礎，它是電容感應式冰情檢查系統(tǒng)的核心部分。然后，通過實驗對已設計出的不同類型量程的傳感器進行可行性研究。根據(jù)具體實際工程需要成功研制了不同量程數(shù)字型電容感應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構設計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計和主子程序編譯;數(shù)據(jù)發(fā)送部分的A-GPRS1090I的無線采集模塊和GPS數(shù)據(jù)透傳模塊的硬件電路設計和軟件設置;數(shù)據(jù)接收部分的上位機接收處理軟件的設計等。最后，介紹了現(xiàn)場安裝情況，并分別對數(shù)字型電容感應式冰層厚度傳感器及其系統(tǒng)在黃河萬家寨水利樞紐和南極中山站的應用及其采集數(shù)據(jù)的情況進行了分析研究。在導師和冰情檢測課題小組的協(xié)助下，通過將近兩年的努力，完成了最初預定的各項研究目標，成功的應用于南極第28次科考，并