冰厚測量裝置

1、基于彈性定律的冰厚測量方案1. 引言首先介紹一下當(dāng)今國內(nèi)技術(shù)比較成熟而且開始應(yīng)用的幾種測冰厚 方案。一直以來，冰厚都被認(rèn)為是海冰或淡水冰最難監(jiān)測的物理指標(biāo) 之一。鉆孔測量是測量冰厚最可靠的監(jiān)測手段，但其低效性難以滿 足定點冰厚連續(xù)觀測的需要。目前國內(nèi)外已發(fā)展了多種自動化冰厚 觀測技術(shù)，其中衛(wèi)星遙感、雷達(dá)探測、電磁感應(yīng)和激光測距技術(shù)的 組合、艦載聲納等設(shè)備，實現(xiàn)了中、大尺度的海冰厚度探測。這些 探測設(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技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了 定點冰厚變化的自動化監(jiān)測。但其觀測精度易受觀測環(huán)境和冰自身 物理性質(zhì)的影響，在遼東灣

2、海上平臺應(yīng)用的系泊聲納和在北極冰浮 標(biāo)應(yīng)用的超聲探測技術(shù)報道的測量精度均為± 1 cm ，不能達(dá)到毫米 級，制約海冰熱力學(xué)模式向精細(xì)發(fā)展。進(jìn)行河道、湖泊以及水庫冰 厚觀測時希望能同時監(jiān)測其冰下水位，傳統(tǒng)設(shè)備難以實現(xiàn)。對于為 工程設(shè)計開展的海冰或淡水冰調(diào)查，以及極地斷面冰厚的連續(xù)監(jiān)測 來說，往往需要在不同位置布置多個測點，一般不需要高頻率的測 量，所以有必要考慮設(shè)備簡單、廉價，測試方便，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冰厚觀測新技術(shù)十分必要。1.1 基于磁致伸縮原理的冰厚測量儀如圖 1 所示，冰厚測量儀由儀器箱和測量桿兩部分組成。測量桿 上有一個固定磁環(huán)和兩個可活動

3、磁環(huán)，測量過程通過控制可活動磁 環(huán)的運動來完成。測量時，下磁環(huán)在重力的作用下向下運動，并放 置在冰雪面上；下磁環(huán)的運動通過氣動方式來控制，當(dāng)儀器箱內(nèi)的 氣缸在減速電機的驅(qū)動下壓縮空氣時，下磁環(huán)機構(gòu)內(nèi)氣囊膨脹，下磁環(huán)機構(gòu)浮起，與冰底面接觸。這時，利用磁致伸縮傳感器探測固 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)在卷揚機牽引力的作用下 向上運動，并同時釋力，氣囊縮回，下磁環(huán)沉下。儀器分辨率為士0. 01 cm，在實驗室對穩(wěn)定目標(biāo)的檢測精度為士 0. 1cm，低溫工作nan圈1 &g

4、t;+ MD1.原理的冰厚測甜儀示意圈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電阻式冰厚測量儀導(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。實驗證明隨著溫度的降低水的電阻值會逐漸 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MQ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)計了一種電阻式冰厚測量儀，測量儀

5、工作原理如圖3所示，在測量桿垂向每隔1 cm布置一對水平距離2 cm的觸點對， 工作時首先在單片機的程序指令控制下由電壓信號發(fā)送電路向被測 介質(zhì)中施加一固定的直流電壓信號，電壓信號便通過觸點對之間的 氣、冰或水介質(zhì)，再經(jīng)電壓信號處理電路送回單片機形成被測介質(zhì)nftffKfS"-ifttgylxlaj-住歌壹宴衍時小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電阻值檢測電路。由于氣、冰或水介質(zhì)的隨機等效電阻不同，經(jīng)單 片機對觸點對負(fù)載電壓值的分析處理后，可判斷出各個觸點對處冰 上空氣、冰層還是冰下水體內(nèi)，從而達(dá)到了測量冰厚的目的。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電容式測量（原理基本同電阻式，暫不做介紹）特點分析：基于 MDL原理的冰厚測量儀現(xiàn)場測量精度為士 2 him， 達(dá)毫米級，實現(xiàn)了自動獲取定點冰厚變化高精度數(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”問題。但是該

7、 技術(shù)對機械構(gòu)造的要求特別高，容易出現(xiàn)機械故障。電阻式冰厚測 量儀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)霜影響會出現(xiàn)異常分壓現(xiàn)象，冰底面新生冰晶對界面判斷 也會產(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。電阻式冰厚測量儀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)霜影響會出現(xiàn)異常分壓現(xiàn)象，冰底 面新生冰晶對界面判斷也會產(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.彈性原理測冰厚實現(xiàn)方案利用f=k*x ,設(shè)定規(guī)定的長度，然后拉

8、升彈性繩到冰面的兩層， 此時在上下冰面設(shè)置一回旋鐵片，并且與冰面緊密接觸，這時利用拉力傳感器測量拉力值f傳送到單片機中，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:方案重點環(huán)節(jié)：1.冰的厚度改變時如何解決？我們將采取分時段多次測量方案，不僅僅是將鐵片放置冰底后不 再變化，而是根據(jù)時段多次測量（小于冰的變化時間）。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量裝置安裝在一半封閉管道內(nèi)，通過管道插入冰中后 再安裝裝置，將在管道內(nèi)設(shè)置一些接口，利用這些接口實現(xiàn)鐵片的 回收。3.彈性繩的選取設(shè)計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：目前國內(nèi)大多數(shù)的測冰厚方案就是電容電阻這幾種，而且都是太 原理工做的，而基本沒有其他的做法。