專利名稱：電容式冰層厚度傳感器及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
電容式冰層厚度傳感器及其檢測(cè)方法屬于自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)發(fā)明。它是一種可以在冰凍條件下對(duì)河流渠道、湖泊、水庫(kù)、長(zhǎng)距離輸水工程、極地考察、地質(zhì)與環(huán)境監(jiān)測(cè)及各種水電工程冰層生消過(guò)程進(jìn)行冰層厚度定點(diǎn)自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)的傳感器裝置。
背景技術(shù)：
國(guó)內(nèi)外在冬季冰凍條件下對(duì)冰層生消過(guò)程中冰層厚度進(jìn)行定點(diǎn)自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)的傳感器裝置很少。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的冰生消檢測(cè)技術(shù)可歸納為三種類型，一類是直接測(cè)量法，它依靠人工鑿冰或打鉆直接測(cè)量冰厚和水位，我國(guó)北方水文站主要采用這種方法。它的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)可靠，但缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度高、危險(xiǎn)性大，不能保證在同一地點(diǎn)自動(dòng)定時(shí)檢測(cè)或在多地點(diǎn)同步進(jìn)行自動(dòng)化連續(xù)檢測(cè)。所以至今沒(méi)有完整的冰生消過(guò)程變化數(shù)據(jù)的自動(dòng)連續(xù)獲取方法，對(duì)冰形成的精細(xì)模型的修正起不到作用，影響到冰的生消預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；第二類是通過(guò)衛(wèi)星或雷達(dá)進(jìn)行遙測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是適宜于對(duì)大面積海冰監(jiān)測(cè)，缺點(diǎn)是無(wú)法掌握局部小范圍冰層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的生消變化過(guò)程，難于應(yīng)用到許多河流渠道和水利設(shè)施的冰檢測(cè)領(lǐng)域；第三類方法是古典的電磁學(xué)、聲學(xué)等物理探測(cè)方法，如超聲波探測(cè)法。它們的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、迅速，但缺點(diǎn)是誤差大。其誤差主要來(lái)自冰性質(zhì)對(duì)電磁波或聲波的影響。經(jīng)檢索我們發(fā)現(xiàn)的冰凍傳感器有1)日本專利“一種水位測(cè)量裝置“G01F 23/30Z 7143-2F，它提出一種外形為圓柱形筒，上面封口垂直安置于水中，筒內(nèi)罐入防凍油其厚度比預(yù)計(jì)的冰層厚一些，水可從筒的下部進(jìn)入筒中，由于比重不同防凍油飄浮在水上面，可阻擋冷空氣接觸水，使筒中的水不結(jié)冰，這樣可以在冰凍情況下檢測(cè)出無(wú)壓水位，而不能對(duì)冰層厚度進(jìn)行測(cè)量。2)冰層厚度傳感器及其檢測(cè)方法[申請(qǐng)(專利)號(hào)200410012164.2]是利用水，冰，空氣電阻值差異進(jìn)行冰層厚度檢測(cè)的一種傳感器，其特征是由傳感器內(nèi)部檢測(cè)電源正極經(jīng)傳感器內(nèi)、外側(cè)壁中間空間內(nèi)充滿的被檢測(cè)介質(zhì)，包括水，冰，空氣，與按標(biāo)尺刻度位置排列的傳感器每一個(gè)金屬檢測(cè)觸點(diǎn)，內(nèi)部刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路，電導(dǎo)識(shí)別電路與檢測(cè)電源負(fù)電極組成檢測(cè)回路，通過(guò)傳感器內(nèi)部單片機(jī)控制電路按一定編碼順序產(chǎn)生刻度譯碼開(kāi)關(guān)控制信號(hào)依次接通各金屬檢測(cè)觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電路進(jìn)行冰層厚度測(cè)量的傳感器，本發(fā)明研制成功了一種利用空氣、冰和水呈現(xiàn)的不同電容特性能對(duì)冰層厚度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的傳感器及其檢測(cè)方法。

發(fā)明內(nèi)容
電容式冰層厚度傳感器及其檢測(cè)方法是根據(jù)空氣、冰和水呈現(xiàn)的不同電容特性，結(jié)合電子信息處理技術(shù)研制出的一種冰層厚度檢測(cè)傳感器裝置和一種新的冰層厚度檢測(cè)方法。利用這一傳感器和檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冰層厚度的定點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，達(dá)到掌握冰生消過(guò)程的目的。它可有效地在冬季環(huán)境溫度不低于-40℃時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量冰層厚度的變化。
電容式冰層厚度傳感器是一種電容式自動(dòng)檢測(cè)冰層厚度的傳感器，其特征是傳感器由矩形塑鋼材料柱體，嵌入在矩形塑鋼柱體外側(cè)壁與內(nèi)側(cè)壁之間的按標(biāo)尺刻度位置排列等距離安裝的由雙面敷銅板材料構(gòu)成的金屬電容檢測(cè)極片組，固定在矩形塑鋼材料柱體內(nèi)部的單片機(jī)控制電路，固定在矩形塑鋼材料柱體內(nèi)部并與各金屬電容檢測(cè)極片及單片機(jī)控制電路相連接的刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路，固定在矩形塑鋼材料柱體內(nèi)部并與單片機(jī)控制電路及刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路相連接的電容測(cè)量電路，絕緣保溫密封添充材料及傳感器導(dǎo)線連接插座組成，其中，電容測(cè)量電路采用便于通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算放大器式電容測(cè)量電路構(gòu)成。
使用時(shí)，首先將傳感器垂直放置在冰層中，標(biāo)尺刻度總長(zhǎng)度大于冰層厚度且傳感器有部分金屬電容檢測(cè)極片暴露于冰面之上與淹沒(méi)于冰層底部，通過(guò)傳感器內(nèi)部單片機(jī)控制電路按一定編碼順序產(chǎn)生刻度譯碼開(kāi)關(guān)控制信號(hào)使各刻度譯碼開(kāi)關(guān)按照編碼順序依次同時(shí)接通金屬電容檢測(cè)極片組中上下相鄰的兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片，當(dāng)被檢測(cè)刻度譯碼開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)將把這一刻度位置上下相鄰的兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片和嵌入在兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片之間的被檢測(cè)介質(zhì)，電容測(cè)量電路與固定在矩形塑鋼材料柱體內(nèi)部的單片機(jī)控制電路接通并形成電容檢測(cè)回路，單片機(jī)控制電路通過(guò)電容測(cè)量電路將對(duì)這兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片和嵌入在兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片之間的被檢測(cè)介質(zhì)形成的電容數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算，并根據(jù)所得電容值數(shù)值范圍識(shí)別出嵌入在兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片之間的被檢測(cè)介質(zhì)性質(zhì)，判定其屬于空氣、冰或是水，同時(shí)，單片機(jī)控制電路將會(huì)根據(jù)這一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的刻度譯碼開(kāi)關(guān)控制信號(hào)確定出被測(cè)兩金屬電容檢測(cè)極片所處的標(biāo)尺刻度位置，在單片機(jī)控制電路控制下將所有上下相鄰的兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片對(duì)應(yīng)的電容檢測(cè)回路都檢測(cè)完畢后，單片機(jī)將能確定出不同被測(cè)介質(zhì)分界位置，進(jìn)而可確定出冰層與空氣相接的上界面與冰層與冰下水相接的底部界面的確切標(biāo)尺刻度位置，由二者的差值即可得出冰層厚度。
電容式冰層厚度傳感器及其檢測(cè)方法可以在冰凍條件下對(duì)河流渠道、湖泊、水庫(kù)、長(zhǎng)距離輸水工程、極地考察、地質(zhì)與環(huán)境監(jiān)測(cè)及各種水電工程冰層生消過(guò)程進(jìn)行高精度的冰層厚度連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)。
本發(fā)明在對(duì)空氣、冰及水的電容特性進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，采用單片機(jī)編碼控制刻度譯碼開(kāi)關(guān)依次接通不同刻度位置上下相鄰的兩個(gè)嵌入有被檢測(cè)介質(zhì)的金屬電容檢測(cè)極片與電容測(cè)量電路、單片機(jī)控制電路構(gòu)成的電容檢測(cè)回路的特殊傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與檢測(cè)方法，可以快速、準(zhǔn)確地判斷出空氣、冰層界面與冰下水位的刻度位置，從而獲得冰層厚度的準(zhǔn)確數(shù)值；在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，控制信號(hào)采用特殊編碼后的數(shù)字脈沖信號(hào)檢測(cè)、識(shí)別和傳輸，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，被測(cè)介質(zhì)電容值通過(guò)電容測(cè)量電路、單片機(jī)控制電路構(gòu)成的特殊電容檢測(cè)電路，計(jì)算準(zhǔn)確、迅速，并很容易與計(jì)算機(jī)直接相連，可以在惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)冰層厚度的連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)。


圖1是“電容式冰層厚度傳感器”結(jié)構(gòu)示意2是“電容式冰層厚度傳感器”的俯視結(jié)構(gòu)示意中1、矩形塑鋼材料柱體2、柱體外側(cè)壁3、柱體內(nèi)側(cè)壁4、金屬電容檢測(cè)極片5、單片機(jī)控制電路6、刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路7、電容測(cè)量電路8、絕緣保溫密封添充材料9、導(dǎo)線連接插座
具體實(shí)施例方式
實(shí)施方式舉例1.電容式冰層厚度傳感器根據(jù)測(cè)量量程所需，截取一定長(zhǎng)度的王字形塑鋼窗材料作為電容式冰層厚度傳感器的柱體(1)，通過(guò)機(jī)械加工手段，如銑床銑，在矩形塑鋼柱體(1)外側(cè)壁(2)與內(nèi)側(cè)壁(3)之間的按1厘米間隔的標(biāo)尺刻度位置加工成可以嵌入雙面敷銅板材料的插槽組，按照插槽尺寸將加工好的雙面敷銅矩形板材料作為金屬電容檢測(cè)極片嵌入加工好的插槽組，同時(shí)將選定的單片機(jī)控制電路(5)，刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路(6)，固定在矩形塑鋼材料柱體(1)內(nèi)部并與單片機(jī)控制電路及刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路相連接的電容測(cè)量電路(7)，絕緣保溫密封添充材料(8)及傳感器導(dǎo)線連接插座(9)組成，其中，電容測(cè)量電路(7)采用便于通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算放大器式電容測(cè)量電路構(gòu)成。
實(shí)施方式舉例2.應(yīng)用電容式冰層厚度傳感器檢測(cè)冰厚的方法首先，將附圖中所示傳感器在未結(jié)冰時(shí)安放在被測(cè)水中或在結(jié)冰狀態(tài)下鑿開(kāi)冰層將其一端朝下垂直安置于冰水中且傳感器應(yīng)有部分部分金屬電容檢測(cè)極片暴露于冰面之上與淹沒(méi)于冰層底部。外施工作電源及數(shù)據(jù)處理儀器通過(guò)一根多芯防水電纜與傳感器導(dǎo)線連接插座9相連。檢測(cè)時(shí)先由傳感器內(nèi)部的單片機(jī)控制電路5在內(nèi)嵌專用軟件作用下按照由上到下的順序向刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路6發(fā)出導(dǎo)通控制信號(hào)，使各刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路6按一定編碼順序產(chǎn)生刻度譯碼開(kāi)關(guān)控制信號(hào)依次接通上下相鄰的兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片，當(dāng)被檢測(cè)刻度譯碼開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)將把這一刻度位置的上下相鄰的兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片4和嵌入在兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片之間的被檢測(cè)介質(zhì)，電容測(cè)量電路7與固定在矩形塑鋼材料柱體1內(nèi)部的單片機(jī)控制電路5接通并形成電容檢測(cè)回路，單片機(jī)控制電路5通過(guò)電容測(cè)量電路7將對(duì)這兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片4和嵌入在兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片之間的被檢測(cè)介質(zhì)形成的電容值范圍進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算，并識(shí)別出嵌入在兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片之間的被檢測(cè)介質(zhì)性質(zhì)，同時(shí)，單片機(jī)控制電路5將會(huì)根據(jù)這一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的刻度譯碼開(kāi)關(guān)控制信號(hào)確定出被測(cè)兩金屬電容檢測(cè)極片4所處的標(biāo)尺刻度位置，在單片機(jī)控制電路5控制下將所有上下相鄰的兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片對(duì)應(yīng)的電容檢測(cè)回路都檢測(cè)完畢后，單片機(jī)將能確定出冰層與空氣相接的上界面與冰層與冰下水相接的底部界面的確切標(biāo)尺刻度位置，由二者的差值即可得出冰層厚度。這一結(jié)果還可在軟件控制下通過(guò)傳感器導(dǎo)線連接插座9與多芯防水電纜傳送到外施數(shù)據(jù)處理儀器進(jìn)行進(jìn)一步處理。
權(quán)利要求
1.電容式冰層厚度傳感器，其特征是傳感器由矩形塑鋼材料柱體(1)，嵌入在矩形塑鋼柱體(1)外側(cè)壁(2)與內(nèi)側(cè)壁(3)之間的按標(biāo)尺刻度位置排列等距離安裝的由雙面敷銅板材料構(gòu)成的金屬電容檢測(cè)極片組(4)，固定在矩形塑鋼材料柱體(1)內(nèi)部的單片機(jī)控制電路(5)，固定在矩形塑鋼材料柱體(1)內(nèi)部并與各金屬電容檢測(cè)極片及單片機(jī)控制電路相連接的刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路(6)，固定在矩形塑鋼材料柱體(1)內(nèi)部并與單片機(jī)控制電路及刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路相連接的電容測(cè)量電路(7)，絕緣保溫密封添充材料(8)及傳感器導(dǎo)線連接插座(9)組成，其中，電容測(cè)量電路(7)采用便于通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算放大器式電容測(cè)量電路構(gòu)成。
2.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的電容式冰層厚度傳感器的檢測(cè)方法，其特征在于首先將傳感器垂直放置在冰層中，標(biāo)尺刻度總長(zhǎng)度大于冰層厚度且傳感器有部分金屬電容檢測(cè)極片暴露于冰面之上與淹沒(méi)于冰層底部，通過(guò)傳感器內(nèi)部單片機(jī)控制電路(5)按一定編碼順序產(chǎn)生刻度譯碼開(kāi)關(guān)控制信號(hào)使各刻度譯碼開(kāi)關(guān)(6)按照編碼順序依次同時(shí)接通金屬電容檢測(cè)極片組(4)中上下相鄰的兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片，當(dāng)被檢測(cè)刻度譯碼開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)將把這一刻度位置上下相鄰的兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片和嵌入在兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片之間的被檢測(cè)介質(zhì)，電容測(cè)量電路(7)與固定在矩形塑鋼材料柱體(1)內(nèi)部的單片機(jī)控制電路(5)接通并形成電容檢測(cè)回路，單片機(jī)控制電路(5)通過(guò)電容測(cè)量電路(7)將對(duì)這兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片和嵌入在兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片之間的被檢測(cè)介質(zhì)形成的電容數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算，并根據(jù)所得電容值數(shù)值范圍識(shí)別出嵌入在兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片之間的被檢測(cè)介質(zhì)性質(zhì)，判定其屬于空氣、冰或是水，同時(shí)，單片機(jī)控制電路(5)將會(huì)根據(jù)這一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的刻度譯碼開(kāi)關(guān)控制信號(hào)確定出被測(cè)兩金屬電容檢測(cè)極片所處的標(biāo)尺刻度位置，在單片機(jī)控制電路(5)控制下將所有上下相鄰的兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片對(duì)應(yīng)的電容檢測(cè)回路都檢測(cè)完畢后，單片機(jī)將能確定出不同被測(cè)介質(zhì)分界位置，進(jìn)而可確定出冰層與空氣相接的上界面與冰層與冰下水相接的底部界面的確切標(biāo)尺刻度位置，由二者的差值即可得出冰層厚度。
全文摘要
電容式冰層厚度傳感器及其檢測(cè)方法屬于自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，其特征是由傳感器內(nèi)部刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路，經(jīng)傳感器外側(cè)壁中間按標(biāo)尺刻度位置排列的一組金屬電容檢測(cè)極片及金屬電容檢測(cè)極片空間內(nèi)充滿的被檢測(cè)介質(zhì)，包括水，冰，空氣，與電容測(cè)量電路和單片機(jī)控制電路組成檢測(cè)回路，通過(guò)傳感器內(nèi)部單片機(jī)控制電路按一定編碼順序產(chǎn)生刻度譯碼開(kāi)關(guān)控制信號(hào)依次接通金屬電容檢測(cè)極片組中上下相鄰的兩個(gè)金屬電容檢測(cè)極片對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電路進(jìn)行電容值的測(cè)定，并根據(jù)測(cè)得的電容值進(jìn)一步確定冰層厚度的傳感器，該傳感器在冰凍條件下可以對(duì)河流渠道、湖泊、水庫(kù)、長(zhǎng)距離輸水工程、極地考察、地質(zhì)與環(huán)境監(jiān)測(cè)及各種水電工程冰層生消過(guò)程的冰層厚度進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01B7/02GK1737490SQ20051001279
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日
發(fā)明者秦建敏, 李志軍 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)