CN102607390B - 一种极地海冰冰裂缝宽度自动化测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种极地海冰冰裂缝宽度自动化测量装置及测量方法，其目的是提供一种极地海冰冰裂缝宽度实时自动化测量方法，解决极地考察活动中海冰冰上运输工作时海冰裂缝造成的生命财产损失问题。该装置包括电容式冰裂缝检测传感器、固定弹簧支架、测量仪表、紧固件、天线等部分。该发明利用电容式冰裂缝检测传感器测量冰裂缝之间海水淹没电容式冰厚传感器的高度来计算冰裂缝宽度，利用铱星通讯来实现数据的无线传输，实现了极地海冰冰裂缝宽度的远程无线自动化测量方法,克服了现有海冰冰裂缝测量技术中误差大，非实时性问题，从而公开一种主要应用在极地考察领域的自动化动态海冰冰裂缝宽度的测量装置及测量方法。

Description

一种极地海冰冰裂缝宽度自动化测量装置及测量方法

技术领域

本发明一种极地海冰冰裂缝宽度自动化测量装置及测量方法，属于自动化检测计量技术领域，主要应用在极地海冰自动化监测领域。

背景技术

极地海冰冰裂缝是海冰在生长变化过程中，由于海水潮汐的潮涨潮落和海冰内部的热力作用而导致海冰产生裂缝。随着时间的推移，其宽度一般都是越来越大。在南北极，风雪较大，冰裂缝常常被厚厚的积雪盖住，导致卫星照片和目测均很难发现冰裂缝并对其宽度做出判断。在世界各国对极地进行的考察活动中，都需要利用雪地车在海冰上运输物资，而冰裂缝就是海冰上运输车辆和驾驶人员的最大危险。中国南极考察27年来，很多年都是在海冰上用雪地车运送物资，曾因为冰裂缝而出现了多次险情。俄罗斯考察队2008年在南极普里滋弯的海冰上运输物资时，出现了连人带车从冰裂缝掉入海底的车毁人亡事故。因此，海冰冰裂缝宽度的自动化实时监测对极地考察非常重要，也迫在眉睫。

目前，对于海冰冰裂缝的观测主要依靠卫星照片、冰雷达和人工探冰。卫星照片由于精度有限，对冰裂缝的位置只能作出大概的判断，无法对冰裂缝宽度作出测算。冰雷达探测冰裂缝能把误差降低到厘米级，但其需要车辆拖行，且不能实现实时监测。人工探冰就是依靠人在冰面上行走，边走边用雪镐等工具探测冰裂缝，发现冰裂缝后，依靠人工进行测量。该测量方法原始可靠，但无法实现冰裂缝宽度变化的实时检测，且对测量人员来说比较危险，随时有掉入冰裂缝的危险。因此，寻求一种能对海冰冰裂缝进行自动化实时测量的设备尤为重要。

发明内容

本发明为一种极地海冰冰裂缝宽度自动化测量装置及测量方法，其目的是提供一种极地海冰冰裂缝宽度实时自动化测量方法，解决极地考察活动中海冰冰上运输工作时海冰裂缝造成的生命财产损失问题。包括电容式冰裂缝检测传感器、固定弹簧支架、测量仪表、紧固件、天线等部分组成。该发明利用电容式冰裂缝检测传感器测量冰裂缝宽度的变化，利用铱星通讯来实现数据的无线传输，实现了极地海冰冰裂缝宽度的远程无线自动化测量方法。克服了现有海冰冰裂缝测量技术中误差大，非实时性问题，从而公开一种主要应用在极地考察领域的自动化动态海冰冰裂缝宽度的测量装置及测量方法。

本发明一种极地海冰冰裂缝宽度测量装置，其特征在于整套装置主要由电容式冰裂缝检测传感器1、固定弹簧支架2、测量仪表3（见附图2）、紧固件4、蓄电池5、天线6、电源导线7组成（见附图1），其中电容式冰裂缝检测传感器1是由三个电容式冰厚测量传感器构成一个三棱锥体型的主体，每个电容式冰厚测量传感器的长度根据冰裂缝的初始宽度来选择在1-2米之间，该传感器内部均匀设置有电容电极板15，连接导线16，每根传感器内部还设置有非金属玻璃棒，用于加固传感器，然后用绝缘环氧树脂材料17将上述材料密封在一根棒子内；固定弹簧支架2是三个直径为5cm的硬质钢性弹簧首尾焊接在一起构成一个正三角形平面支架，三个角上分别固定每个电容式冰厚测量传感器的一端，其作用是一方面起到对每根电容式冰厚测量传感器的固定作用，另一个作用是当三棱锥型电容式冰裂缝检测传感器1整体受到海冰挤压时，弹簧的弹性可以起到保护传感器的作用；测量仪表3主要由微处理器8、运算器9、控制器10、GPS定位模块11、存储器12、铱星通讯模块13、电容式冰裂缝检测传感器14组成，微处理器8是测量仪表的核心，它控制电容式冰裂缝检测传感器并读取其测量数据，它还对存储器12、GPS控制定位模块11、铱星通讯模块13进行控制，存储器12主要作用是存储电容式冰裂缝检测传感器的数据，GPS定位模块11主要作用是对整套测量装置的安装地点以及随着海冰漂移后的位置进行定位，铱星通讯模块13与控制器10相连，作用是把检测传感器测量到的冰裂缝数据以及GPS定位数据通过卫星传输到国内的监测中心；紧固件4是一块直径10cm长度5cm重约6公斤的不锈钢质圆柱体，该圆柱体的上表面上设置三个紧固电容式冰厚传感器的接头，将三个电容式冰厚传感器的另一端紧固在一起，该紧固件4的另一个作用是，其重力的作用使得整套三棱锥型的检测传感器与冰面保持垂直直立；蓄电池5是采用在低温-40℃下为整个测量装置正常工作供电400多天的低温铅酸电池，12V电压，30AH，且该电池用环氧树脂进行密封，保持电池干燥；天线6是采用BDS9602 铱星自备的GPS天线和数据传输天线；电源导线7是采用三芯塑料外皮导线。

上述一种极地海冰冰裂缝宽度测量装置，其特征在于是所述的电容式冰裂缝检测传感器1不但能进行冰厚测量，还能进行水位的测量。

上述一种极地海冰冰裂缝宽度测量装置，其特征在于是所述的微处理器和存储器、GPS模块、铱星通讯模块是集成到一个电路板上，并用一个金属外壳封装，构成测量仪表。

上述一种极地海冰冰裂缝宽度自动化测量装置的测量方法，其特征在于由于冰裂缝间充满海水，所以该方法是一种主要通过测量海水淹没每个电容式冰厚传感器的深度，来计算出海冰冰裂缝的宽度的方法，其具体测量步骤如下：

步骤一：利用电容式冰裂缝检测传感器测量得到每根冰厚测量传感器被海水淹没的高度H；

步骤二：应用微处理器，参见图4，计算冰裂缝宽度L，利用公式                                                ，得到冰裂缝宽度L。

步骤三：定时重复步骤一和步骤二，得到每次的测量计算结果L1，L2，L3……；

步骤四：应用微处理器对定时测量计算得到的结果进行存储；

步骤五：应用铱星无线通讯模块，定期将存储的数据结果和GPS的位置信息发送到国内岸基接收器或船载接收器。

上述一种极地海冰冰裂缝宽度测量装置的测量方法，其特征在于是所述的步骤二中，公式中的为三根电容式冰厚测量传感器两两之间的夹角。

本发明为一种极地海冰冰裂缝宽度自动化测量装置及测量方法与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：本发明可快捷的检测出极地海冰冰裂缝的宽度，并能实现自动化实时检测，数据无线远程传输，为冰上运输车辆的安全及时提供数据。本发明一种极地海冰冰裂缝宽度自动化测量装置结构简单，成本较低，测量准确。所述测量方法步骤简单，测量结果真实可靠，可应用于极地考察或冬季近海海冰的冰上运输领域，实现对冰裂缝宽度的自动化监测。本发明在第28次中国南极科学考察中现场应用，实践证明,本发明性能可靠，精确度高。

附图说明

附图1 极地海冰冰裂缝宽度测量装置的结构及测量示意图。

1. 电容式冰裂缝检测传感器  2. 固定弹簧支架  3.测量仪表  4.紧固件  5.蓄电池 6.天线    7 .电源导线 。

附图2  测量仪表的模块组成示意图。

8.微处理器    9. 运算器   10.控制器  11. GPS定位模块   12.存储器 

13.铱星通讯模块   14.电容式冰裂缝检测传感器。

附图3  电容式冰厚测量传感器的结构示意图。

15.电容极板   16.连接导线   17.绝缘环氧树脂材料    18.海水    19.海冰。    

附图4  冰裂缝宽度计算方法示意图。

具体实施方式

实施方式1 ：

1. 极地海冰冰裂缝宽度测量装置

    本发明的极地海冰冰裂缝宽度测量装置由电容式冰裂缝检测传感器1、固定弹簧支架2、测量仪表3（见附图2）、紧固件4、蓄电池5、天线6、电源导线7等部分组成（见附图1）。电容式冰裂缝检测传感器1是由三个电容式冰厚测量传感器按照一定的角度构成一个的三棱锥体型传感器。固定弹簧支架2由三个直径为5cm的硬质钢性弹簧首尾焊接在一起构成，形成一个正三角形平面支架。三角形支架的三个角上分别固定每根电容式冰厚测量传感器的一端。其作用是一方面起到对每根电容式冰厚测量传感器的固定作用，另一方面是当三棱锥型电容式冰裂缝检测传感器1整体受到海冰挤压时，弹簧的弹性可以起到保护传感器的作用。测量仪表3由微处理器8、运算器9、控制器10、GPS定位模块11、存储器12、铱星通讯模块13、电容式冰裂缝检测传感器14等组成。微处理器8是测量仪表的核心，它控制电容式冰裂缝检测传感器14并读取其测量数据，它还对存储器12、GPS定位模块11、铱星通讯模块13等进行控制。存储器12主要作用是存储电容式冰裂缝检测传感器14的数据。GPS定位模块11主要作用是对整套测量装置的安装地点以及随着海冰漂移后的位置进行定位。铱星通讯模块13与控制器10相连，作用是把电容式冰裂缝检测传感器14测量到的冰裂缝数据以及GPS定位模块11获取的数据通过卫星传输到国内的监测中心。紧固件4是一块直径10cm长度5cm的不锈钢质的圆柱体，该圆柱体的上表面上设置三个紧固电容式冰厚传感器另一端的接头，将三个电容式冰厚传感器的另一端紧固在一起。该紧固件4的另一个作用是其重6公斤，其重力的作用可以使得整套三棱锥型的检测传感器与冰面保持垂直直立。蓄电池5采用低温铅酸电池，12V电压，30AH，可以在低温40℃下为整个测量装置正常工作供电400多天。天线6采用BDS9602铱星自备的GPS天线和数据传输天线。电源导线7是一根三芯塑料外皮导线。

2. 测量装置的安装

整套极地海冰冰裂缝宽度测量装置在安装前首先要选定合适的冰裂缝观测点。由于冰裂缝在生长发育过程中总是逐渐变宽的趋势，初始最宽的裂缝也会一直保持最宽，所以，对观测点的选择条件是选择整条冰裂缝中实际初始宽度最宽的地方。

安装示意图附如图1所示，将整套测量装置以紧固件4为底部使三棱锥体垂直卡在冰裂缝两边的冰上，确保三棱锥体的三个弹簧支架2构成的平面与冰表面平行。将蓄电池5在安装地点挖一个雪坑用雪掩埋。

3. 极地海冰冰裂缝宽度测量方法

参见附图1。极地海冰冰裂缝宽度自动化测量装置的测量方法步骤如下：

步骤一：利用电容式冰裂缝检测传感器测量得到每根冰厚测量传感器被海水淹没的高度H。

步骤二：应用微处理器，参见附图4，计算冰裂缝宽度L，利用公式，得到冰裂缝宽度L，α为三根电容式冰厚测量传感器两两之间的夹角。

步骤三：定时重复步骤一和步骤二，得到每次的测量计算结果L1，L2，L3……。

步骤四：应用微处理器对定时测量计算得到的结果进行存储。

步骤五：应用铱星无线通讯模块，定期将存储的数据结果和GPS的位置信息发送到国内岸基接收器或船载接收器。

实施方式2

    电容式冰裂缝检测传感器1其结构（见附图3）由三个电容式冰厚测量传感器按照一定的角度构成一个三棱锥体型传感器。每个电容式冰厚测量传感器内部除均匀设置有电容极板15外，还有连接导线16，用于三个传感器的连接，每根传感器内部还设置有非金属玻璃棒，用于加固传感器，然后用绝缘环氧树脂材料17将上述材料密封在一根棒子内。其它同实施方式1。

实施方式3

     紧固件4的另一个作用是其重6公斤，其重力的作用可以使得整套三棱锥型的检测传感器与冰面保持垂直直立，其它同实施方式1。

Claims (4)

1.一种极地海冰冰裂缝宽度测量装置，其特征在于整套装置主要由电容式冰裂缝检测传感器(1)、固定弹簧支架(2)、测量仪表(3)、紧固件(4)、蓄电池(5)、天线(6)和电源导线(7)组成，其中电容式冰裂缝检测传感器(1)是由三个电容式冰厚测量传感器构成一个三棱锥体型的主体，每个电容式冰厚测量传感器的长度根据冰裂缝的初始宽度选择在1-2米之间，该电容式冰厚测量传感器内部均匀设置有电容电极板(15)，连接导线(16)，每根电容式冰厚测量传感器内部还设置有非金属玻璃棒，用于加固电容式冰厚测量传感器，然后用绝缘环氧树脂材料(17)将上述材料密封在一根棒子内；固定弹簧支架(2)是三个直径为5cm的硬质钢性弹簧首尾焊接在一起构成一个正三角形平面支架，三个角上分别固定每个电容式冰厚测量传感器的一端，其作用是一方面起到对每根电容式冰厚测量传感器的固定作用，另一个作用是当三棱锥型电容式冰裂缝检测传感器(1)整体受到海冰挤压时，弹簧的弹性可以起到保护电容式冰裂缝检测传感器的作用；测量仪表(3)主要由微处理器(8)、运算器(9)、控制器(10)、GPS定位模块(11)、存储器(12)、铱星通讯模块(13)组成，微处理器(8)是测量仪表的核心，它控制电容式冰裂缝检测传感器(1)并读取其测量数据，它还对存储器、GPS定位模块、铱星通讯模块进行控制，存储器主要作用是存储电容式冰裂缝检测传感器的数据，GPS定位模块(11)主要作用是对整套测量装置的安装地点以及随着海冰漂移后的位置进行定位，铱星通讯模块(13)与控制器(10)相连，作用是把电容式冰裂缝检测传感器测量到的冰裂缝数据以及GPS定位模块(11)的定位数据通过卫星传输到国内的监测中心；紧固件(4)是一块直径10cm长度5cm重6公斤的不锈钢质圆柱体，该圆柱体的上表面上设置三个紧固电容式冰厚传感器的接头，将三个电容式冰厚传感器的另一端紧固在一起，该紧固件(4)的另一个作用是，其重力的作用使得整套三棱锥型的电容式冰裂缝检测传感器与冰面保持垂直直立；蓄电池(5)是采用在低温-40℃下为整个测量装置正常工作供电400多天的低温铅酸电池，12V电压，30AH，且该电池用环氧树脂进行密封，保持电池干燥；天线(6)是采用BDS9602铱星自备的GPS天线；电源导线(7)是采用三芯塑料外皮导线。

2.按照权利要求1所述一种极地海冰冰裂缝宽度测量装置，其特征在于所述的电容式冰裂缝检测传感器(1)不但能进行海冰冰裂缝宽度的测量，还能进行海水水位和海冰厚度的测量。

3.按照权利要求1所述一种极地海冰冰裂缝宽度测量装置，其特征在于所述的微处理器(8)和存储器(12)、GPS定位模块(11)、铱星通讯模块(13)集成到一个电路板上，并用一个金属外壳封装，构成测量仪表。

4.权利要求1所述一种极地海冰冰裂缝宽度测量装置的测量方法，其特征在于该方法是一种主要通过测量海水淹没每个电容式冰厚传感器的深度，来计算出海冰冰裂缝的宽度的方法，其具体测量步骤如下：

步骤一：利用电容式冰裂缝检测传感器测量得到每根电容式冰厚测量传感器被海水淹没的高度H；

步骤二：应用微处理器，计算冰裂缝宽度L，利用公式得到冰裂缝宽度L，公式中α为三根电容式冰厚测量传感器两两之间的夹角；

步骤三：定时重复步骤一和步骤二，得到每次的测量计算结果L1，L2，L3……；

步骤四：应用微处理器对定时测量计算得到的结果进行存储；

步骤五：应用铱星无线通讯模块，定期将存储的数据结果和GPS定位模块的位置信息发送到国内岸基接收器或船载接收器。