冰层厚度传感器及其检测方法 【技术领域】
冰层厚度传感器及其检测方法属于自动化检测技术领域的一项发明。它是一种可以在冰冻条件下对河流渠道、湖泊、水库、长距离输水工程、极地考察、地质与环境监测及各种水电工程冰层生消过程进行冰层厚度定点自动连续检测的传感器装置。
技术背景
目前国内外在冬季冰冻条件下对冰层生消过程中冰层厚度进行定点自动连续检测的传感器装置很少。国内外冰生消检测技术主要有二类，一类是直接测量法，它依靠人工凿冰或打钻后通过刻度尺人工直接测量冰厚和水位，我国北方水文站主要采用这种方法。它的优点是数据可靠，但缺点是劳动强度高、危险性大，不能保证在同一地点进行定时自动化检测。另一类方法是物理方法，如电磁学、声学、光学等。它们的优点是操作简单、迅速，但缺点是误差大。冰厚度物理探测方法的误差主要是来自冰性质对电磁波或声波的影响，我们在对渤海海冰物理和力学性质研究结果表明冰的温度随时间和空间在不断地变化，这种温度变化控制着冰声学性质、电学性质和光学性质的变化，但其电导率在结冰状态下与液体和空气有较大的区别，利用这一性质可以对冰层厚度进行准确检测。经检索我们发现的冰冻传感器有：日本专利“一种水位测量装置“G 01 F 23/30 Z 7143-2F，它提出一种外形为圆柱形筒，上面封口垂直安置于水中，筒内罐入防冻油其厚度比预计的冰层厚一些，水可从筒的下部进入筒中，由于比重不同防冻油飘浮在水上面，可阻挡冷空气接触水，使筒中的水不结冰，这样可以在冰冻情况下检测出无压水位，而不能对冰层厚度进行测量。本发明研制成功了一种利用空气、冰和水呈现的不同电导特性能对冰层厚度进行自动测量的传感器及其检测方法。
【发明内容】
冰层厚度传感器及其检测方法是根据空气、冰和水呈现的不同电导特性，结合电子信息处理技术研制出的一种冰层厚度检测传感器装置和一种新的冰层厚度检测方法。利用这一传感器和检测方法可以在因冰地温度随时间和空间变化引起冰声学性质、电学性质和光学性质变化的情况下实现对冰层厚度的定点连续自动检测，达到掌握冰生消过程的目的。它可有效地在冬季环境温度不低于-35℃时准确地测量冰层厚度的变化。
冰层厚度传感器及其检测方法特征是：传感器由矩形塑钢材料柱体(1)，检测电源(2)，安装在矩形塑钢材料柱体外侧壁(3)的检测电源正极电极(4)，在矩形塑钢材料柱体内侧壁(5)按标尺刻度位置排列等距离安装的金属检测触点(6)，固定在矩形塑钢材料柱体(1)内部的单片机控制电路(7)，固定在矩形塑钢材料柱体(1)内部并与各金属触点及单片机控制电路(7)相连接的刻度译码开关电路(8)，固定在矩形塑钢材料柱体内部并与单片机控制电路(7)、刻度译码开关电路(8)及检测电源负电极(12)相连接的电导识别电路(9)，绝缘保温密封添充材料(10)及传感器导线连接插座(10)组成，其检测电源(2)由固定于矩形塑钢柱体(1)内部的阀控式密封铅酸蓄电池直流电源构成，电导识别电路由集成电路LM334构成的电压比较电路构成。
使用时，将传感器一端朝下垂直安置于冰水中，传感器标尺刻度总长度应大于冰层厚度且传感器应有部分金属检测触点暴露于冰面之上与淹没于冰层底部。其检测过程为：外电源通过传感器导线连接插座(11)接入传感器，使传感器内部的检测电源(2)、单片机控制电路(7)、刻度译码开关电路(8)、电导识别电路(9)均处于上电工作状态，传感器内部单片机控制电路(7)按一定编码顺序产生刻度译码开关控制信号使各刻度译码开关电路(8)按照编码顺序依次单独导通，当某一刻度译码开关电路(8)导通时将把检测电源(2)，这一刻度位置的金属检测触点和与其相连接的被检测介质，电导识别电路(9)接通并形成回路。电导识别电路(9)将对这一金属检测触点与检测电源正电极(4)之间被测介质的电导值范围进行识别并根据识别结果由某一输出端输出表示被测介质性质的标志电平到单片机控制电路(7)，单片机控制电路(7)将会根据这一时刻对应的刻度译码开关控制信号确定出被测金属检测触点所处的标尺刻度位置，在单片机控制电路(7)控制下将所有金属检测触点(6)对应的回路都检测完毕后，单片机将能确定出冰层与空气相接的上界面与冰层与冰下水相接的底部界面的确切标尺刻度位置，由二者的差值即可得出冰层厚度。
本发明的主要用途及优点：
冰层厚度传感器及其检测方法可以在冰冻条件下对河流渠道、湖泊、水库、长距离输水工程、极地考察、地质与环境监测及各种水电工程冰层生消过程进行高精度的冰层厚度连续自动检测。
本发明在对空气、冰及水的电导特性进行深入研究的基础上，采用单片机编码控制刻度译码开关依次接通检测电源、不同刻度位置被测介质与电导识别电路构成的检测回路的特殊传感器设计结构与检测方法，可以快速、准确地判断出空气、冰层界面与冰下水位的刻度位置，从而获得冰层厚度的准确数值；在整个检测过程中，全部采用特殊编码后的数字脉冲信号检测、识别和传输，具有很强的抗干扰能力，并很容易与计算机直接相连，可以在恶劣环境下实现对冰层厚度的连续自动检测。其优点可以概括为：
A、采用对被测介质电导数值范围判断的检测方式，可不受冰声学性质、电学性质和光学性质等的变化影响而能对冰层厚度进行自动检测；
B、采用单片机数字信号控制检测与传输，抗干扰性能强；
C、结构简单，成本低，误差小，稳定可靠。
【附图说明】
图1是“冰层厚度传感器”俯视结构图，图2是其剖视结构，图中：
1、矩形塑钢材料柱体
2、检测电源
3、塑钢材料柱体外侧壁
4、检测电源正电极
5、塑钢材料柱体内侧壁
6、金属检测触点
7、单片机控制电路
8、刻度译码开关电路
9、电导识别电路
10、绝缘保温密封添充材料
11、导线连接插座
12、检测电源负电极
具体实施方式：
实施方式1.冰厚及冰下水位的检测：
首先，将附图中所示传感器在未结冰时安放在被测水中或在结冰状态下凿开冰层将其一端朝下垂直安置于冰水中且传感器应有部分金属检测触点暴露于冰面之上与淹没于冰层底部。外施工作电源及数据处理仪器通过一根多芯防水电缆与传感器导线连接插座(11)相连。检测时先由传感器内部的单片机控制电路(7)在内嵌专用软件作用下按照由上到下的顺序向刻度译码开关电路(8)发出导通控制信号，使各刻度译码开关电路(8)按照由上到下的顺序依次单独导通，当某一刻度译码开关电路导通时将把检测电源(2)，这一刻度位置的金属检测触点和与其相连接的被检测介质，电导识别电路(9)接通并形成回路。电导识别电路(9)将对这一金属检测触点与检测电源正电极(4)之间被测介质的电导值范围进行识别并根据识别结果由某一输出端输出表示被测介质性质的标志电平到单片机控制电路(7)，单片机控制电路(7)将会根据这一时刻对应的刻度译码开关控制信号确定出被测金属检测触点所处的标尺刻度位置。在单片机控制电路(7)控制下将所有金属检测触点对应的回路都检测完毕后，单片机将能综合判断后确定出冰层的上界面与冰层底部的确切标尺刻度位置，由二者的差值即可得出冰层厚度，这一结果还可在软件控制下通过传感器导线连接插座(11)与多芯防水电缆传送到外施数据处理仪器进行进一步处理。
实施方式2.冰下水位的检测：
首先，将附图中所示传感器一端朝下垂直安置于冰水中，传感器应有部分金属检测触点淹没于冰层底部水中，并对传感器最底部所处的高度进行标定获得其初值。外施工作电源及数据处理仪器通过一根多芯防水电缆与传感器导线连接插座(11)相连。检测时先由传感器内部的单片机控制电路(7)在内嵌专用软件作用下按照由下到上的顺序向刻度译码开关电路(8)发出导通控制信号，使各刻度译码开关电路(8)按照由下到上的顺序依次单独导通，当某一刻度译码开关电路(8)导通时将把检测电源(2)，这一刻度位置的金属检测触点和与其相连接的被检测介质，电导识别电路(9)接通并形成回路。电导识别电路(9)将对这一金属检测触点与检测电源正电极(4)之间被测介质的电导值范围进行识别并根据识别结果由某一输出端输出表示被测介质性质的标志电平到单片机控制电路(7)，单片机控制电路(7)将会根据这一时刻对应的刻度译码开关控制信号确定出被测金属检测触点所处的标尺刻度位置。在单片机控制电路(7)控制下将所有金属检测触点(6)对应的回路都检测完毕后，单片机将能综合判断后确定出冰层底部与冰下水交界面的确切标尺刻度位置，由传感器最底部在安装时标定的液位高度初值再加上冰层底部与冰下水交界面距传感器底部的高度即可得出冰下水位的高度，这一结果还可在软件控制下通过传感器导线连接插座(11)与多芯防水电缆传送到外施数据处理仪器进行进一步处理。