CN114563304B - 积雪密度原位检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种积雪密度原位检测传感器。该积雪密度原位检测传感器包括探头以及数据处理组件。探头包括：探头盒体，其底壁设置有安装开口，其内部具有电路安装腔；探测组件，设置于安装开口处，用于靠近待检测雪面；前端信号处理电路，设置于电路安装腔内，与探测组件连接，并用于转换并传递探测组件测得的信号。上述数据处理组件包括：后端信号处理电路，与前端信号处理电路信号连接，并用于对前端信号处理电路处理后的信号进行转换；数据计算模块，用于对后端信号处理后的信号进行计算，得到积雪密度。本发明的方案，针对极地积雪的特殊环境进行针对性改进，弥补了现有技术的空白点，为极地研究提供了设备支持。

Description

积雪密度原位检测传感器

技术领域

本发明涉及冰雪检测领域，特别是涉及一种积雪密度原位检测传感器。

背景技术

存在于地球南北两极的极地冰盖对于调节全球气候变化具有重要作用，地球的两极冰盖可以把相当一部分太阳辐射来的能量反射回太空，而冰盖的积雪正是南北两极非常活跃的组成部分。因此对极地积雪物理性质，特别是对积雪的密度进行检测，对于了解地球气候变化，应对温室效应具有非常积极的意义。

虽然现有技术中存在分别进行雨雪定性测量、雪深测量、水分含量测量的传感器以及对雪参数进行测量的监测系统。但是这些传感器以及检测系统大多体积较大，仅适用于在固定位置长期连续检测。

如BL-GYX雨雪传感器，可以用来定性测量室外或自然界是否降雨和降雪，常应用于环境、养殖、温室、楼宇、建筑等地有无雨雪的定性测量。

如一种电容式雨雪传感器，主要用于监测雨雪天气，感应载体表面附着有纳米级金属氧化物层，当有雨雪落下时可以感应电容变化。

如DOT600路基水分含量计，主要用于建筑物结构中，测量土制路基或基础样本中的体积水分含量和重量水分含量，通过电介质对介电常数的灵敏性测量水分含量。

如SPA（Snow Pack Analyzer）雪水特征监测系统，该系统主要包括三个部分，分别为SPA传感器、阻抗分析盒以及雪深传感器，可以连续监测雪水当量、雪密度、雪深以及雪中冰和水的含量，可以根据应用场合的实际情况选择SPA传感器的数量，然后搭建不同结构类型的系统，以稳定的结构在指定位置进行连续性测量。

上述传感器以及监测系统均不能满足对极地环境积雪密度的便携式检测要求。

发明内容

本发明的一个目的是要克服现有技术的至少一个技术缺陷，提供一种积雪密度原位检测传感器。

本发明一个进一步的目的是要填补国内利用便携式传感装置进行积雪密度监测的技术空白。

本发明另一个进一步的目的是要解决检测设备笨重，操作、移动不便的问题。

特别地，本发明提供了一种积雪密度原位检测传感器，用于对极地环境的积雪密度进行检测，该积雪密度原位检测传感器包括探头以及数据处理组件。

上述探头包括：

探头盒体，其底壁设置有安装开口，其内部具有电路安装腔；

探测组件，设置于安装开口处，用于靠近待检测雪面；

前端信号处理电路，设置于电路安装腔内，与探测组件连接，并用于转换并传递探测组件测得的信号。

上述数据处理组件包括：

后端信号处理电路，与前端信号处理电路信号连接，并用于对前端信号处理电路处理后的信号进行转换；

数据计算模块，用于对后端信号处理电路处理后的信号进行计算，得到积雪密度。

可选地，探测组件包括：

印刷电路板，固定于安装开口处；

探测电极，设置于印刷电路板背向探头盒体的一侧，并用于靠近待检测雪面，以向待检测雪面施加探测信号，并获取探测信号的反馈；

屏蔽电极，设置于印刷电路板朝向探头盒体的一侧，用于屏蔽干扰信号。

可选地，探测电极包括两块彼此交错设置的插齿电极，探测信号为向两块插齿电极施加的电信号。

可选地，两块插齿电极包括相对间隔设置的底边以及从底边相对交错延伸的多个插齿，插齿之间的间隔尺寸以及插齿末端至相对底边的间隔尺寸相同。

可选地，每块插齿电极具有6个插齿；

每块插齿电极的厚度范围为0.18至0.22mm，底边的边缘至插齿末端的长度范围为100-104mm，底边的长度范围为56-60mm；底边的宽度范围为4.8-5.2mm；

插齿的宽度范围为2.8-3.2mm，插齿之间的间隔范围以及插齿末端至相对底边的间隔范围设置为1.9-2.1mm。

可选地，数据计算模块还配置为：

根据后端信号处理电路处理后的信号计算得到探测电极间的介电常数；

根据介电常数确定对应的雪密度。

可选地，数据计算模块根据介电常数确定对应的雪密度的过程包括：

获取预设的电容-介电常数对应曲线以及电容-雪密度对应曲线；

根据电容-介电常数对应曲线以及电容-雪密度对应曲线推导得出的介电常数-雪密度对应曲线；

根据介电常数-雪密度对应曲线确定与介电常数对应的雪密度。

可选地，数据处理组件还包括：

显示屏，配置成输出测量结果展示界面以及设置界面；

操作部件，配置成操作人员的设置指令。

可选地，上述积雪密度原位检测传感器还包括：

手持杆，杆体内部中空，其第一端与探头固定，其第二端设置有用于操作人员握持的手柄；

信号线缆，穿设于手持杆的杆体内，并连接前端信号处理电路和后端信号处理电路。

可选地，手持杆为伸缩杆，其长度可调。

本发明的积雪密度原位检测传感器，利用探头靠近待检测雪面，获取雪面对探测信号的反馈，通过信号的转换、传递、处理、计算，准确地计算得到积雪密度。该积雪密度原位检测传感器针对极地积雪的特殊环境进行针对性改进，弥补了现有技术的空白点，为极地研究提供了设备支持。

进一步地，本发明的积雪密度原位检测传感器，对探头内探测组件的构造进行了优化，结构紧凑，可以有效屏蔽干扰信号，避免了干扰信号对测量结果的影响。

更进一步地，本发明的积雪密度原位检测传感器，依据雪密度影响电极间介电常数的物理现象，对探测电极的构造进行了相应改进，创造性地提出了利用具有6个插齿的插齿电极作为探测电极施加电信号，可以充分反映雪密度对介电常数的影响，通过仿真以及实际验证，可以大大提高检测准确性。

又进一步地，本发明的积雪密度原位检测传感器，对信号的计算处理方式也进行了改进优化，可以准确地应用于极地积雪密度的检测工作。此外，本发明的积雪密度原位检测传感器，检测结果输出直观方便，可以快速得到检测结果；携带移动方便，便于在极地恶劣的使用环境下移动、使用。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的积雪密度原位检测传感器的整机示意图；

图2是本发明一个实施例的积雪密度原位检测传感器的电气部件框图；

图3是根据本发明一个实施例的积雪密度原位检测传感器中探头的仰视图；

图4是根据本发明一个实施例的积雪密度原位检测传感器中探头的正视图；

图5是图4所示探头沿AA方向剖切后的示意图；

图6是图3所示的探头中探测电极的示意图；

图7是不同构造的电极的仿真结果的电容值与雪介电常数的曲线的比较图；

图8是不同构造的电极对不同介电常数的介质进行测试得到电容与介电常数的对应曲线图；以及

图9是根据本发明一个实施例的积雪密度原位检测传感器进行检测得到的电容与雪密度对应曲线。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的积雪密度原位检测传感器1的整机示意图，图2是本发明一个实施例的积雪密度原位检测传感器1的电气部件框图。

该积雪密度原位检测传感器1一般性地可以包括探头10以及数据处理组件30。其中探头10可以包括：探头盒体110、探测组件120、前端信号处理电路130。

探头盒体110的底壁设置有安装开口，其内部具有电路安装腔。探头盒体110可以为方形壳体，其底面尺寸要求满足布置探测组件120的要求。电路安装腔的尺寸要求满足布置电气部件的要求。

探测组件120设置于安装开口处，用于靠近待检测雪面。探测组件120可以通过紧固件进行安装。例如使用垫圈、螺钉作为紧固件，探测组件120可靠地与探头盒体110进行固定。

前端信号处理电路130设置于电路安装腔内，与探测组件120连接，并用于转换并传递探测组件120测得的信号。前端信号处理电路130可以包括但不限于探测信号的放大电路、滤波电路、隔离电路等。在一些实施例中，积雪密度原位检测传感器1的电源也可以设置于电路安装腔内。

数据处理组件30一般性地可以包括后端信号处理电路310、数据计算模块320、显示屏330、操作部件340。

后端信号处理电路310，与前端信号处理电路130信号连接，并用于对前端信号处理电路130处理后的信号进行转换。后端信号处理电路310可以包括但不限于隔离电路、采样电路、模拟数字转换电路等。

数据计算模块320用于对后端信号处理电路310处理后的信号进行计算，得到积雪密度。数据计算模块320的计算原理为通过探测信号与不同雪密度的物理性质（例如介电常数）的对应关系，计算得出探测信号对应的雪密度。

积雪密度原位检测传感器1还可以进一步包括：手持杆20以及信号线缆40。

手持杆20的杆体内部中空，其第一端与探头10固定，其第二端设置有用于操作人员握持的手柄210，便于操作人员携带、使用。手持杆20为伸缩杆，其长度可调，便于不同操作人员使用以及便于收纳。

信号线缆40穿设于手持杆20的杆体内，并连接前端信号处理电路130和后端信号处理电路310。

显示屏330可以配置成输出测量结果展示界面以及设置界面。操作部件340可以配置成操作人员的设置指令。考虑到极地恶劣的环境条件，显示屏330优选采用耐低温抗冻的液晶显示屏，操作部件340可以设置独立的操作按键。

本实施例的积雪密度原位检测传感器1的一种具体实现形式为：探测组件120安装于探头盒体110的底部，可以通过垫圈和螺钉与探头盒体110紧固连接。手持杆20使用伸缩杆，用于实现积雪密度原位检测传感器的手持式测量，并调整测量高度。杆体内部中空，用于穿设信号线缆40。手持杆20上端安装手柄210，下端安装探头10，便于手持式测量。

在数据处理组件30中，后端信号处理电路310用于进行信号转化与优化；显示屏330显示测量结果和各测量参数，操作部件340可以用于调整测量过程中各参数。

在进行工作时，通过操作部件340可以设置所需参数，例如测量频率。手持杆20的高度根据测量高度进行调整。操作人员手握手柄210将探头水平放置在被测积雪上方，使得探头10底部探测组件保持与积雪近距离无接触或少量接触，也即靠近待测雪面。

信号线缆40将探头测得的信号传递给数据计算模块320。数据计算模块320用于对后端信号处理电路310处理后的信号进行计算，得到积雪密度。显示屏330可以将积雪密度以及计算过程中的各项参数进行显示。待数据保持稳定后，最终的计算结果可被记录保存。

本实施例的积雪密度原位检测传感器1，利用探头10靠近待检测雪面，获取雪面对探测信号的反馈，通过信号的转换、传递、处理、计算，准确地计算得到积雪密度。该积雪密度原位检测传感器针对极地积雪的特殊环境进行针对性改进，弥补了现有技术的空白点，为极地研究提供了设备支持。

图3是根据本发明一个实施例的积雪密度原位检测传感器1中探头10的仰视图，图4是根据本发明一个实施例的积雪密度原位检测传感器中探头的正视图，图5是图4所示探头沿AA方向剖切后的示意图；图6是图3所示的探头10中探测电极122的示意图。

探测组件120可以包括：印刷电路板121、探测电极122、屏蔽电极123。印刷电路板PCB121固定于探头盒体110的底部，也即固定于探头盒体110的安装开口处。探测电极122设置于印刷电路板121背向探头盒体110的一侧，并用于靠近待检测雪面，以向待检测雪面施加探测信号，并获取探测信号的反馈。屏蔽电极123设置于印刷电路板121朝向探头盒体110的一侧，用于屏蔽干扰信号。

印刷电路板PCB121可以通过垫圈和螺钉等紧固件111与探头盒体110紧固连接，用于固定探测电极122、屏蔽电极123。同时印刷电路板121上还可以安装极板内部线路。探测电极122和屏蔽电极123可以粘结或采用其他固定方式设置于PCB板121两面。探测电极122和屏蔽电极123通过可以通过接线柱112接线。探头盒体110内安装前端信号处理电路130，转换并传递探测组件120测得的信号。上述屏蔽电极123可以保证探测信号不被干扰信号影响，提高了检测准确性，保证积雪密度原位检测传感器1正常工作。

本实施例的积雪密度原位检测传感器1，对探头10内探测组件120的构造进行了优化，结构紧凑，可以有效屏蔽干扰信号，避免了干扰信号对测量结果的影响。

探测电极122可以包括两块彼此交错设置的插齿电极，探测信号为向两块插齿电极122施加的电信号。两块插齿电极122包括相对间隔设置的底边1221以及从底边1221相对交错延伸的多个插齿1222，插齿1222之间的间隔尺寸以及插齿1222末端至相对底边1221的间隔尺寸相同。

本实施例的积雪密度原位检测传感器1，对探测电极122的构造进行了相应改进，创造性地提出了利用插齿电极作为探测电极施加电信号，提高了检测精确性。通过仿真以及实际验证，每块插齿电极122可以采用具有6个插齿的构造。并且每块插齿电极122的厚度范围为0.18至0.22mm，底边1221的边缘至插齿1222末端的长度D范围为100-104mm，底边1221的长度b范围为56-60mm；底边1221的宽度f范围为4.8-5.2mm；插齿1222的宽度C范围为2.8-3.2mm，插齿1222之间的间隔S范围以及插齿1222末端至相对底边1221的间隔范围设置为1.9-2.1mm。

在一些更优选的实施例中，每块插齿电极122的厚度可为0.2mm，底边1221的边缘至插齿1222末端的长度D为102mm，底边1221的长度b为58mm；底边1221的宽度f为5mm；插齿1222的宽度C为3mm，插齿1222之间的间隔S以及插齿1222末端至相对底边1221的间隔设置为2mm。

上述插齿电极122的具体尺寸并非通过有限次测试根据经验得出，而是对雪密度的介电常数变化特点经过大量研究总结，通过理论推导、仿真、实测得到的最优电极构造。

利用上述构造的插齿电极122作为探测电极是本发明中的改进点，在保证电极面积一定的情况下，发明人对不同构造极板的探测结果进行了如下对比：

实施例方案：每块插齿电极的厚度可为0.2mm，底边的边缘至插齿末端的长度范围为102mm，底边的长度范围为58mm；底边的宽度范围为5mm；插齿的宽度范围为3mm，插齿之间的间隔范围以及插齿末端至相对底边的间隔范围设置为2mm。

对比方案1：平行电极。平行电极为现有技术中最为常见的电极构造，对比方案1的平行电极的具体构造为：极板厚度为0.2mm；单个极板长度为58mm，单个极板宽度L为50mm；两极板间距S为2mm。

对比方案2：具有3个插齿的插齿电极。每块插齿电极的厚度可为0.2mm，底边的边缘至插齿末端的长度范围为102mm，底边的长度范围为58mm；底边的宽度范围为5mm；插齿的宽度范围为8mm，插齿之间的间隔范围以及插齿末端至相对底边的间隔范围设置为2mm。

对比方案3：具有4个插齿的插齿电极。每块插齿电极的厚度可为0.2mm，底边的边缘至插齿末端的长度范围为102mm，底边的长度范围为58mm；底边的宽度范围为5mm；插齿的宽度范围为4mm，插齿之间的间隔范围以及插齿末端至相对底边的间隔范围设置为2mm。

图7是不同构造的电极的仿真结果的电容值与雪介电常数的曲线的比较图。其可以看出对优选尺寸的电极不同构造的结果对比。图中L7-1为对比方案1的电容值与雪的介电常数的对应曲线，L7-2为对比方案2的电容值与雪的介电常数的对应曲线；L7-3为对比方案3的电容值与雪的介电常数的对应曲线；对比方案L7-4为实施例方案电容值与雪的介电常数的对应曲线。

通过比较，可以看出，插齿电极比正常电极仿真结果随介电常数的变化率更大，即利用插齿电极的仿真灵敏度更高，测得的电容值更大。对于插齿电极，随着齿数的增加，同一介电常数下测得的电容值增大，电容随介电常数的变化率增加，但变化率的变化量逐渐减小。

考虑到探头结构的紧凑性，在探测电极面积一定的前提下，上述六齿电极的测量效果最好。但如果进一步提高齿数，其测量效果进一步提升并不明显，且更加容易被干扰。

在对上述6插齿的插齿电极进一步研究，选择已知介电常数的物质，空气、水、乙醇溶液和丙三醇溶液对电极进行测试对比。测试方式为将测试电极通过同轴屏蔽线连接于手持式LCR表（电阻抗测量表），在100khz信号探测下，对空气、水、乙醇溶液和丙三醇溶液分别实验测得电容值，进行多组实验并算得电容平均值（单位pF）汇总如表1所示。

表1

图8是不同构造的电极对不同介电常数的介质进行测试得到电容与介电常数的对应曲线图。图8的数据来源于表1。图中L8-1为对比方案1的电容值与介电常数的对应曲线，L8-2为对比方案2的电容值与介电常数的对应曲线；L8-3为实施例方案电容值与介电常数的对应曲线。

通过测试结果，可以看出插齿电极比一般电极随介电常数的变化率更大，即利用插齿电极实验时灵敏度更高，更适宜于雪密度的检测。而6插齿的插齿电极，电容随介电常数的变化率增大，测得电容值的跨度也增大，实际实验测量效果也最好。通过拟合实验数据可以得到电容C-介电常数ε曲线。

装配上述构造的插齿电极122的积雪密度原位检测传感器1进行实验室验证的过程为：以1dm³量具作为恒定体积v，将雪放入量具中，用小刻度电子秤控制倒入量具的雪质量为三个等级m1、m2、m3，并填满量具，三组实验分别得到的质量为m1=358.5g、m2=544.8g、m3=675.2g，分别测量各密度对应电容值汇总如下表2所示。图9是根据本发明一个实施例的积雪密度原位检测传感器1进行检测得到的电容与雪密度对应曲线。图9是曲线也即电容C-积雪密度ρ曲线，为对测试结果进行拟合得到。

表2

根据上述电容C-介电常数ε和电容C-雪密度ρ拟合曲线，推导得到介电常数ε-积雪密度ρ关系曲线，由此确定被测积雪密度。由检测结果可以看出，本实施例的积雪密度原位检测传感器1可以较为准确地确定积雪密度。

基于上述原理，积雪密度原位检测传感器1的数据计算模块320的计算过程可以包括：根据后端信号处理电路310处理后的信号计算得到探测电极122间的介电常数；根据介电常数确定对应的雪密度。

例如，数据计算模块320根据介电常数确定对应的雪密度的过程可以包括：获取预设的电容-介电常数对应曲线以及电容-雪密度对应曲线；根据电容-介电常数对应曲线以及电容-雪密度对应曲线推导得出的介电常数-雪密度对应曲线；根据介电常数-雪密度对应曲线确定与介电常数对应的雪密度。

上述电容C-介电常数ε曲线、电容C-雪密度ρ曲线、介电常数ε-积雪密度ρ曲线可以利用极地雪的特点经过大量数据测试及推导得出，符合极地雪密度检测的要求，提高检测准确度。

本实施例的积雪密度原位检测传感器，可以依据电容传感器的测量原理利用插齿电极，测量出被测积雪电容，通过介电常数ε-积雪密度ρ关系曲线及相关电路处理，可以直接由介电特性得到被测积雪密度。整个积雪密度原位检测传感器轻巧便携，结构简单，测量操作简易，数据获取快，测量效率高，测量的温度范围与极地地区极端环境温度范围相符，测量频率可供选择。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种积雪密度原位检测传感器，包括：

探头，其包括：

探头盒体，其底壁设置有安装开口，其内部具有电路安装腔；

探测组件，设置于所述安装开口处，用于靠近待检测雪面；

前端信号处理电路，设置于所述电路安装腔内，与所述探测组件连接，并用于转换并传递所述探测组件测得的信号；

数据处理组件，其包括：

后端信号处理电路，与所述前端信号处理电路信号连接，并用于对所述前端信号处理电路处理后的信号进行转换；

数据计算模块，用于对所述后端信号处理电路处理后的信号进行计算，得到积雪密度；

所述探测组件包括：

印刷电路板，固定于所述安装开口处；

探测电极，设置于所述印刷电路板背向所述探头盒体的一侧，并靠近待检测雪面，以向所述待检测雪面施加探测信号，并获取所述探测信号的反馈；

屏蔽电极，设置于所述印刷电路板朝向所述探头盒体的一侧，用于屏蔽干扰信号；

其中所述探测电极包括两块彼此交错设置的插齿电极，所述探测信号为向两块所述插齿电极施加的电信号；两块所述插齿电极包括相对间隔设置的底边以及从所述底边相对交错延伸的多个插齿，所述插齿之间的间隔尺寸以及所述插齿末端至相对所述底边的间隔尺寸相同；

每块所述插齿电极具有6个插齿；每块所述插齿电极的厚度范围为0.18至0.22mm，所述底边的边缘至所述插齿末端的长度范围为100-104mm，所述底边的长度范围为56-60mm；所述底边的宽度范围为4.8-5.2mm；所述插齿的宽度范围为2.8-3.2mm，所述插齿之间的间隔范围以及所述插齿末端至相对所述底边的间隔范围设置为1.9-2.1mm。

2.根据权利要求1所述的积雪密度原位检测传感器，其中所述数据计算模块还配置为：

根据所述后端信号处理电路处理后的信号计算得到所述探测电极间的介电常数；

根据所述介电常数确定对应的雪密度。

3.根据权利要求2所述的积雪密度原位检测传感器，其中所述数据计算模块根据所述介电常数确定对应的雪密度的过程包括：

获取预设的电容-介电常数对应曲线以及电容-雪密度对应曲线；

根据所述电容-介电常数对应曲线以及所述电容-雪密度对应曲线推导得出的介电常数-雪密度对应曲线；

根据所述介电常数-雪密度对应曲线确定与所述介电常数对应的雪密度。

4.根据权利要求3所述的积雪密度原位检测传感器，其中所述数据处理组件还包括：

显示屏，配置成输出测量结果展示界面以及设置界面；

操作部件，配置成操作人员的设置指令。

5.根据权利要求1所述的积雪密度原位检测传感器，还包括：

手持杆，杆体内部中空，其第一端与所述探头固定，其第二端设置有用于操作人员握持的手柄；

信号线缆，穿设于所述手持杆的杆体内，并连接所述前端信号处理电路和所述后端信号处理电路。

6.根据权利要求5所述的积雪密度原位检测传感器，其中

所述手持杆为伸缩杆，其长度可调。

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