冰厚測(cè)量裝置

1、基于彈性定律的冰厚測(cè)量方案1. 引言首先介紹一下當(dāng)今國(guó)內(nèi)技術(shù)比較成熟而且開始應(yīng)用的幾種測(cè)冰厚 方案。一直以來(lái)，冰厚都被認(rèn)為是海冰或淡水冰最難監(jiān)測(cè)的物理指標(biāo) 之一。鉆孔測(cè)量是測(cè)量冰厚最可靠的監(jiān)測(cè)手段，但其低效性難以滿 足定點(diǎn)冰厚連續(xù)觀測(cè)的需要。目前國(guó)內(nèi)外已發(fā)展了多種自動(dòng)化冰厚 觀測(cè)技術(shù)，其中衛(wèi)星遙感、雷達(dá)探測(cè)、電磁感應(yīng)和激光測(cè)距技術(shù)的 組合、艦載聲納等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了中、大尺度的海冰厚度探測(cè)。這些 探測(cè)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，為掌握大范圍海冰厚度分布狀況及其年際變 化特征提供了可能。另外，系泊聲納和超聲探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了 定點(diǎn)冰厚變化的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。但其觀測(cè)精度易受觀測(cè)環(huán)境和冰自身 物理性質(zhì)的影響，在遼東灣

2、海上平臺(tái)應(yīng)用的系泊聲納和在北極冰浮 標(biāo)應(yīng)用的超聲探測(cè)技術(shù)報(bào)道的測(cè)量精度均為± 1 cm ，不能達(dá)到毫米 級(jí)，制約海冰熱力學(xué)模式向精細(xì)發(fā)展。進(jìn)行河道、湖泊以及水庫(kù)冰 厚觀測(cè)時(shí)希望能同時(shí)監(jiān)測(cè)其冰下水位，傳統(tǒng)設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于為 工程設(shè)計(jì)開展的海冰或淡水冰調(diào)查，以及極地?cái)嗝姹竦倪B續(xù)監(jiān)測(cè) 來(lái)說(shuō)，往往需要在不同位置布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，一般不需要高頻率的測(cè) 量，所以有必要考慮設(shè)備簡(jiǎn)單、廉價(jià)，測(cè)試方便，數(shù)據(jù)可靠的技術(shù) 方法。因此，發(fā)展能滿足不同需要的定點(diǎn)冰厚觀測(cè)新技術(shù)十分必要。1.1 基于磁致伸縮原理的冰厚測(cè)量?jī)x如圖 1 所示，冰厚測(cè)量?jī)x由儀器箱和測(cè)量桿兩部分組成。測(cè)量桿 上有一個(gè)固定磁環(huán)和兩個(gè)可活動(dòng)

3、磁環(huán)，測(cè)量過(guò)程通過(guò)控制可活動(dòng)磁 環(huán)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。測(cè)量時(shí)，下磁環(huán)在重力的作用下向下運(yùn)動(dòng)，并放 置在冰雪面上；下磁環(huán)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)氣動(dòng)方式來(lái)控制，當(dāng)儀器箱內(nèi)的 氣缸在減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下壓縮空氣時(shí)，下磁環(huán)機(jī)構(gòu)內(nèi)氣囊膨脹，下磁環(huán)機(jī)構(gòu)浮起，與冰底面接觸。這時(shí)，利用磁致伸縮傳感器探測(cè)固 定磁環(huán)與上磁環(huán)的距離以及固定磁環(huán)與下磁環(huán)的距離，與初值比較， 得到當(dāng)前冰屑表面和冰底面的位置。測(cè)量完畢后，為避免上磁環(huán)被 雪覆蓋和下磁環(huán)被凍結(jié)在冰底面，上磁環(huán)在卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引力的作用下 向上運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)釋力，氣囊縮回，下磁環(huán)沉下。儀器分辨率為士0. 01 cm，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)穩(wěn)定目標(biāo)的檢測(cè)精度為士 0. 1cm，低溫工作nan圈1 &g

4、t;+ MD1.原理的冰厚測(cè)甜儀示意圈Fig. I Coctfijurshdrt sketch the tipp&mtus for tnortiE坷 ice環(huán)境可達(dá)一 55度。tfcbdknrw bawd «i MDL1.2電阻式冰厚測(cè)量?jī)x導(dǎo)電特性是冰和水基本物理特性之一。包含有導(dǎo)電離子的自然 水在常溫下是導(dǎo)電的。實(shí)驗(yàn)證明隨著溫度的降低水的電阻值會(huì)逐漸 升高，其電阻值在幾十至幾百 kQ范圍變化。達(dá)到冰凍狀態(tài)后電阻 值在幾MD至幾百M(fèi)Q范圍變化，冰具有弱電特性，被看作電阻值 較大的弱導(dǎo)體，空氣則被看作絕緣體16。根據(jù)氣/冰/水不同的 導(dǎo)電特性，設(shè)計(jì)了一種電阻式冰厚測(cè)量?jī)x，測(cè)量?jī)x

5、工作原理如圖3所示，在測(cè)量桿垂向每隔1 cm布置一對(duì)水平距離2 cm的觸點(diǎn)對(duì)， 工作時(shí)首先在單片機(jī)的程序指令控制下由電壓信號(hào)發(fā)送電路向被測(cè) 介質(zhì)中施加一固定的直流電壓信號(hào)，電壓信號(hào)便通過(guò)觸點(diǎn)對(duì)之間的 氣、冰或水介質(zhì)，再經(jīng)電壓信號(hào)處理電路送回單片機(jī)形成被測(cè)介質(zhì)nftffKfS"-ifttgylxlaj-住歌壹宴衍時(shí)小y¥50190 閒 200 工卑i( i I.七Ld山 i h|imi|分Ik分JE »4 >&甘壓井壓 tfi囲4環(huán)境沮度和甘壓H歧變化Fig-4 VariMjunR in dninrtaiKr knfeiMuve ad vdXA/p p

6、stfilr電阻值檢測(cè)電路。由于氣、冰或水介質(zhì)的隨機(jī)等效電阻不同，經(jīng)單 片機(jī)對(duì)觸點(diǎn)對(duì)負(fù)載電壓值的分析處理后，可判斷出各個(gè)觸點(diǎn)對(duì)處冰 上空氣、冰層還是冰下水體內(nèi)，從而達(dá)到了測(cè)量冰厚的目的。fflj電肛武沐犀爾儀廂理n瑪 J PtiiH-ipUr abptch al the afjpsMie G avtuikn 心 dtickjiw bwd on PFwrtanoe1.3電容式測(cè)量（原理基本同電阻式，暫不做介紹）特點(diǎn)分析：基于 MDL原理的冰厚測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度為士 2 him， 達(dá)毫米級(jí)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)獲取定點(diǎn)冰厚變化高精度數(shù)據(jù)的需要，該技 術(shù)解決了制約海冰熱力學(xué)模式向精細(xì)發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題。但是該

7、 技術(shù)對(duì)機(jī)械構(gòu)造的要求特別高，容易出現(xiàn)機(jī)械故障。電阻式冰厚測(cè) 量?jī)x目前尚處于探索研究階段，其界面分辨精度為士 3 cm，氣/冰 界面受結(jié)霜影響會(huì)出現(xiàn)異常分壓現(xiàn)象，冰底面新生冰晶對(duì)界面判斷 也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。這表明該技術(shù)還需要深入研究，并加以改進(jìn) 和完善。電阻式冰厚測(cè)量?jī)x目前尚處于探索研究階段，其界面分辨 精度為±3 cm，氣/冰界面受結(jié)霜影響會(huì)出現(xiàn)異常分壓現(xiàn)象，冰底 面新生冰晶對(duì)界面判斷也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。這表明該技術(shù)還需要 深入研究，并加以改進(jìn)和完善。而且對(duì)氣/冰/水的垂直分界比例的 描述線需要進(jìn)一步的探究與分析。2.彈性原理測(cè)冰厚實(shí)現(xiàn)方案利用f=k*x ,設(shè)定規(guī)定的長(zhǎng)度，然后拉

8、升彈性繩到冰面的兩層， 此時(shí)在上下冰面設(shè)置一回旋鐵片，并且與冰面緊密接觸，這時(shí)利用拉力傳感器測(cè)量拉力值f傳送到單片機(jī)中，又已知彈性系數(shù)k，可求得x=x1-xO即為所求得的值。具體流程框圖:方案重點(diǎn)環(huán)節(jié)：1.冰的厚度改變時(shí)如何解決？我們將采取分時(shí)段多次測(cè)量方案，不僅僅是將鐵片放置冰底后不 再變化，而是根據(jù)時(shí)段多次測(cè)量（小于冰的變化時(shí)間）。這樣也可 防止裝置被凍在冰中。2.如何收回鐵片我們將把測(cè)量裝置安裝在一半封閉管道內(nèi)，通過(guò)管道插入冰中后 再安裝裝置，將在管道內(nèi)設(shè)置一些接口，利用這些接口實(shí)現(xiàn)鐵片的 回收。3.彈性繩的選取設(shè)計(jì)要求的彈性繩必須能夠承受超低溫的環(huán)境，而且彈性系數(shù)穩(wěn) 定，恢復(fù)性良好等功能，我們決定采用 tpv 材質(zhì)。方案特點(diǎn)：目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的測(cè)冰厚方案就是電容電阻這幾種，而且都是太 原理工做的，而基本沒(méi)有其他的做法。