CN109520405A - 一种测量冰层厚度的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种原位测量冰层厚度的传感器，传感器包括不锈钢套筒，不锈钢套筒内径4.5cm，长度30cm，距顶部1cm处有宽度0.5cm的贯穿到底部的单侧开口，套筒壁厚0.2cm，顶端外部有丝口，可与电钻旋转连接，底部带齿，套筒中心有直径0.5cm的不锈钢针，长度为30cm，顶部通过环氧树脂固定，并与套筒隔绝，套筒顶端有BNC接头，使得套筒与同轴电缆外层金属网连接，探针与同轴电缆中心金属丝连接。本发明价格低廉，无需电阻电容式传感器中的精密仪器，因此便于生产应用。

Description

一种测量冰层厚度的传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种测量冰层厚度的传感器。

背景技术

对水库、河流、湖泊、海洋、冰川等冰层厚度及冰层内部生消变化实现连续自动化监测一直是国内外多个领域迫切希望解决的一个问题，而且对冰层厚度的监测往往是在野外，交通与供电不便、气候环境恶劣等不利的工作条件下进行。因此，可以适应于野外环境条件下能够反映冰层内部变化的高精度自动监测的方法及设备是很具有实用价值的。

目前，国内外测量冰、雪厚度的方法可以归纳为三种类型：

(1)依靠发射的电磁波、声波等穿透冰层，利用其返回到接收器的时间换算出冰、雪的厚度。通过卫星、雷达进行海冰监测就属于这一类型。但由于冰、雪的性质受到其内部温度的控制，造成实测方法有较大的误差。

(2)依靠超声波和激光到达冰、雪界面时反射回来的时间，计算出距界面的距离，实测精度受到局部表面起伏的影响，厚度的变化需要在冰、雪层的表面和地面相对测试才能体现，仰视冰剖面声呐探测冰层厚度就属于这种方法。

(3)直接钻孔测量。该方法简单可靠，但需要密集的人力，同时由于破坏取样，无法连续原位观测。

最新的冰层厚度传感器是由太原理工大学秦建敏团队提出的基于空气、冰与水电阻、电容差异的冰厚度传感器。大量的实验结果证明，包含有导电离子的自然水在常温下是导电的，随着温度的降低，其电阻率会逐渐升高；当温度低于0℃结冰以后，一般情况下是将冰作为绝缘体，而实验显示，当温度逐渐降低时，虽然冰的电阻值将大大增加，但在一定的温度范围内(0～-20℃)仍有弱导电性，而空气是绝缘体，冰与水、空气的电阻差异用于区分冰水界面和冰气界面，从而确定冰层厚度，如图1所示。

但此种方法存在以下缺点：

(1)该传感器测得的冰层厚度为非连续的，其精度由上下相邻的接触点之间的间隔决定。

例如，接触点间隔0.8cm，测得得冰层厚度为0.8cm的整数倍，若冰水界面正好在两个接触点之间，界面之上的接触点测得电阻显示介质为冰，界面之下的接触点测得电阻显示介质为水，最后测得的冰层厚度到界面之上接触点位置为止，比实际厚度偏小。

(2)外露的接触式感应使得其野外适用性降低。由于需要介质连通接触点处的电路，该传感器电路必须外露，因此欲提高测量精度则必然要求接触点的金属导体足够细薄，在野外环境中，特别是寒冷环境，容易发生断丝(李新宇，2006)；同时，外露的细薄接触点电路也容易受到冰层生消过程中胀缩作用的影响而发生位移，从而使测量结果产生误差。

(3)不便于安装。为防止各接触电路短路，所有接触点需固定在绝缘材料上，无论是陶瓷还是树脂等绝缘材料，直接安装都比较困难，需要先使用电钻在冰上凿出安装孔，如图2所示。可以明显看到冰层下的水通过安装孔浸没传感器，此时一方面传感器周围为水，无法测量冰厚，需要等待水重新结冰；另一方面即使重新结冰，其厚度与原始冰层厚度也存在差异。

(4)复杂的控制系统增加了野外使用的不确定性。其布置形式决定了该传感器需要在使用过程中需要通过单片机控制电压在每个接触点上都加载，测出整个传感器纵向的电阻分布，增加了失控的风险。

继电阻式冰厚传感器之后，秦建敏团队又提出了改进的电容式冰厚传感器。其主要原理为：电容值随温度变化是冰和水具有的另一种重要物理特性。由于温度的变化，引起被检测物(空气、冰或水)的介电常数发生变化，其电容值也随之改变。不论是水结冰还是冰消融过程，电容值都表现出明显的单调性，即电容值随温度的升高而变大，随温度的降低而变小。在零度以上时，水的电容值保持在uF级范围内变化。在接近零度时，电容值会有一个趋势变大的跳变。在零度以下后，水开始结冰，电容值在nF级开始下降，从数值上看空气与冰的电容数值保持在一个数量级范围，而它们与水的电容数值具有明显的差异。

按照空气、冰与水具有不同的电容特性，可以将检测空间垂直划分为绝缘层(空气层)、弱导电层(冰层)和良导电层(冰下自然水)，对三个区域进行水平切割后形成的薄层平面进行电容数值检测和判断，可以掌握被检测空间内部各垂直触点所在位置的物理状态分布情况，并可以根据结果确定不同区域的分界层面垂直高度位置，计算出冰层厚度与冰下水位，如图3所示。

但此种方法存在以下缺点：

(1)该传感器测得的冰层厚度为非连续的，其精度由上下相邻的极板之间的间隔决定。例如，极板间隔0.8cm，则测得的冰层厚度为0.8cm的整数倍，若冰水界面正好在两个极板之间，界面之上的极板测得介电常数显示介质为冰，界面之下的极板测得介电常数显示介质为水，最后测得的冰层厚度到界面之上极板位置为止，比实际厚度偏小。

(2)不便于安装。虽然电容感应式传感器避免了电阻式传感器接触点外露的缺点，但极板仍然需要绝缘材料固定包裹，直接安装同样困难，需要先使用电钻在冰上凿出安装孔，如图2所示。

可以明显看到冰层下的水通过安装孔浸没传感器，此时一方面传感器周围为水，无法测量冰厚，需要等待水重新结冰；另一方面即使重新结冰，其厚度与原始冰层厚度也存在差异。

(3)复杂的控制系统增加了野外使用的不确定性。其布置形式决定了该传感器需要在使用过程中需要通过单片机控制电磁波在每个极板上加载，测出整个传感器纵向的介电常数分布，增加了失控的风险。

现有的TDR(Time Domain Reflectometry，时域反射仪)，最早应用于电缆故障检测，其后经过几十年的发展，TDR系统在土壤水分领域得到了广泛运用，但在冰层厚度测量方面尚未见相关应用。

其测量的原理为：TDR主机发射电磁脉冲，电磁波沿同轴电缆传播进入介质，通过行程时间法测量电磁波在介质中的传播速度V，电磁波在介质中的传播速度V与介质的表观介电常数K_a有关，典型的TDR行程时间法波形如附图4所示。

当电磁波经同轴电缆传播后到达同轴电缆与同轴转换器交界面处时，由于同轴转换器阻抗大于同轴电缆，因此反射波形上升，即A点；当电磁波经过同轴转换器到达同轴转换器与空气段(表面反射法需流出一定长度的空气段)交界面处时，由于空气段阻抗大于同轴转化器，发射波形再次上升，即B点；当电磁波经过空气段达到空气段与介质表面交界处时，由于介质阻抗小于空气段，反射波形开始下降，即C点；然后电磁波在介质中传波直至探针末端，由于探针末端阻抗大于探针之间介质的阻抗，因此反射波形在该处再次上升，即D点。通过波形B点至D点两处的时间差Δt，即电磁波在介质中的传播时间，可以得到电磁波在介质中的传播速度，为：其中L为插入介质中探针的长度，介质常数：TDR测量冰厚需在知道冰层介电常数的前提下，测量传播时间从而求得冰厚，因此欲测量冰厚必先知道介电常数，但采用行程时间法测量介电常数又需知道冰厚，形成矛盾。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种冰厚测量装置，能够原位连续监测冰层厚度。

本发明采用如下技术方案：

本发明的一种原位测量冰层厚度的传感器，包括

不锈钢套筒，一端距顶部1cm位置，开设宽度0.5cm的单侧开口，使得空气能够进入，既减小压力方便钻孔，又能形成冰气界面；

不锈钢探针，安装于不锈钢套筒中心，顶部通过环氧树脂固定在不锈钢套筒上，使其与不锈钢套筒隔绝；

BNC接头，安装在不锈钢套筒顶端，用于连接同轴电缆与不锈钢套筒及不锈钢探针。

本发明进一步的技术方案是，所述的不锈钢探针的直径0.5cm，长度为30cm。

本发明优选的技术方案是，所述的不锈钢套筒内径为4.5cm，长度为30cm。

本发明优选的技术方案是，不锈钢套筒壁厚0.2cm。

本发明进一步的技术方案是，所述的不锈钢套筒顶部外侧壁上具有丝口。

本发明优选的技术方案是，不锈钢套筒底部具有齿。

丝口可用于与电钻连接，不锈钢套筒底部的齿主要用于在较厚的冰层上直接钻孔。

本发明的有益效果：

本发明使用TDR原理测量冰层厚度传感器可以连续原位测量冰层厚度，同时套筒与电钻的丝口连接用于解决传感器安装的问题，在冰层已经形成的区域，避免了基于电容电阻特性的冰层厚度传感器安装时可能导致的冰层破损或接触不紧密。

本发明大部分组件为金属，强度好，适用于寒冷的野外环境。无需复杂的控制电路，一次测得的波形可同时用于表明反射法和行程时间法分别测的必要的介电常数和传播时间两个参数，从而测的冰厚。

本发明价格低廉，无需电阻电容式传感器类似的精密仪器，便于生产。

附图说明

图1为基于空气、冰与水电阻特性差异冰层厚度检测原理示意图；

图2为背景技术中传感器现场安装图；

图3为电容感应式冰层厚度传感器及其检测系统框图；

图4为TDR波形示意图；

图5为本发明传感器剖视图；

图6为本发明传感器主视图。

图中，1-不锈钢套筒、2-不锈钢探针、3-环氧树脂、4-丝口、5-BNC接头、6-齿、7-单侧开口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，本发明的一种原位测量冰层厚度的传感器，包括

不锈钢套筒1，一端距顶部1cm位置，开设宽度0.5cm的单侧开口7，使得空气能够进入，既减小压力方便钻孔，又能形成冰气界面；

不锈钢探针2，安装于不锈钢套筒1中心，顶部通过环氧树脂3固定在不锈钢套筒1上，使其与不锈钢套筒1隔绝；

BNC接头5，安装在不锈钢套筒1顶端，用于连接同轴电缆与不锈钢套筒1及不锈钢探针2。

本发明进一步的技术方案是，所述的不锈钢探针2的直径0.5cm，长度为30cm。

这种设计目的是，不锈钢探针2直径过小则容易弯折，且容易产生“鲁棒效应”，使得电磁场集中在不锈钢探针2表面，不利于介质介电常数的测量。

其次，根据Knight(1994)的研究表明，不锈钢探针2直径与不锈钢套筒1内壁和中心探针之间间距的比值不应小于0.1，故选择不锈钢探针1直径为0.5cm，不锈钢套筒1内径4.5cm。

本发明优选的技术方案是，所述的不锈钢套筒1内径为4.5cm，长度为30cm。

电磁波在沿着不锈钢探针2与不锈钢套筒1传播的过程中会发生衰减，因此不锈钢探针2与不锈钢套筒1长度不宜过长，过长则在冰水界面处的反射波不明显，影响测量精度，同时又不宜过短，过短则影响冰层厚度测量范围，同时将增大传播时间测量的误差。

本发明优选的技术方案是，不锈钢套筒1壁厚0.2cm。

本发明进一步的技术方案是，所述的不锈钢套筒1顶部外侧壁上具有丝口4。

本发明优选的技术方案是，不锈钢套筒1底部具有齿6。

丝口4可用于与电钻连接，不锈钢套筒1底部的齿6主要用于在较厚的冰层上直接钻孔。

本发明的工作流程为：

S1.将传感器通过丝口旋转固定在电钻上，使用电钻在冰层上钻孔，这样就完成传感器安装固定。

S2.旋转解除传感器与电钻的连接，使用同轴电缆连接传感器BNC接头，同轴电缆另一端连接电磁脉冲发射主机，在与主机连接的电脑上观测电磁脉冲的波形。

S3.利用表面反射法计算冰层介电常数，然后利用行程时间法测得的传播时间，测得冰层厚度。

与传统行程时间法不同，表面反射法测试的是电磁波在空气段与交界面Ⅲ处的反射系数来计算介质的介电常数，如图6所示。

介电常数通过下式计算：

其中Δρ＝ρ_Ⅱ-ρ_Ⅲ，ρ_II-ρ_III为界面Ⅱ与界面Ⅲ处的反射系数之差与被测介质的介电常数相关；为常数，只与探头的几何尺寸及材料有关，k是只与传输线几何特性相关的常数，理论上等于1，也可以通过室内标定得到。行程时间法原理及计算过程见下述部分。

行程时间法原理及计算过程如下，冰层下的水体，特别是海水，由于具有导电性，能够在套筒末端之前将不锈钢探针与套筒连通，形成短路，从而形成反射波，由此可以判断电磁波在冰层中的传播时间，从而通过行程时间法测量冰厚。TDR主机可与电脑连接人工测量，也可与数据采集器连接，自动测量，测量完成后，若套筒内冰柱无法取出，可利用钢钎从传感器侧面开口插入，向下撬出冰柱。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种原位测量冰层厚度的传感器，其特征在于，包括

不锈钢套筒，一端距顶部1cm位置，开设宽度0.5cm的的单侧开口，使得空气能够进入，既减小压力方便钻孔，又能形成冰气界面；

不锈钢探针，不锈钢探针安装于套筒中心，顶部通过环氧树脂固定在不锈钢套筒上，使其与不锈钢套筒隔绝；

BNC接头，安装在不锈钢套筒顶端，用于连接同轴电缆与不锈钢套筒及不锈钢探针。

2.根据权利要求1所述的一种原位测量冰层厚度的传感器，其特征在于，所述的不锈钢探针的直径0.5cm，长度为30cm。

3.根据权利要求1所述的一种原位测量冰层厚度的传感器，其特征在于，不锈钢套筒内径为4.5cm，长度为30cm。

4.根据权利要求1或3所述的一种原位测量冰层厚度的传感器，其特征在于，不锈钢套筒壁厚0.2cm。

5.根据权利要求1或4所述的一种原位测量冰层厚度的传感器，其特征在于，所述的不锈钢套筒顶部外侧壁上具有丝口。

6.根据权利要求5所述的一种原位测量冰层厚度的传感器，其特征在于，不锈钢套筒底部具有齿。