本發(fā)明涉及氣象檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁滯伸縮凍雨傳感器及結(jié)冰厚度檢測方法。

背景技術(shù)：

凍雨是由冰水混合物組成，與溫度低于0℃的物體碰撞立即結(jié)冰的降水，是初冬或冬末春初時節(jié)見到的一種災害性天氣。低于0℃的雨滴在溫度略低于0℃的空氣中能夠保持過冷狀態(tài)，其外觀同一般雨滴相同，當它落到溫度為0℃以下的物體上時，立刻凍結(jié)成外表光滑而透明的冰層，稱為雨凇。嚴重的雨凇會壓斷樹木、電線桿，使通訊、供電中止，妨礙公路和鐵路交通，威脅飛機的飛行安全。

對凍雨的觀測是觀測站通過直接看到地表物體上的凝結(jié)現(xiàn)象來確定，無法通過氣象雷達、多普勒儀或其他傳統(tǒng)的觀測法來觀測；但可以通過雷達來間接預計凍雨形成的可能性有多大。雷達信號的反射強度與降水的形式的半徑有關(guān)。雖然下雨比下雪反射的信號更強，但由于雨滴的半徑比雪花小得多，因此從雪融化來的雨并不比之前雪的信號強多少。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種磁滯伸縮凍雨傳感器及結(jié)冰厚度檢測方法，能夠判斷凍雨的發(fā)生，檢測凍雨厚度當量，有利于氣象綜合觀測以及防災減災。

為達到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種磁滯伸縮凍雨傳感器，包括：

磁滯伸縮探頭；

殼體，所述殼體內(nèi)設有腔體，所述磁滯伸縮探頭部分延伸至所述腔體內(nèi)，所述磁滯伸縮探頭與所述殼體相連，所述磁滯伸縮探頭位于所述腔體內(nèi)的部分上設有驅(qū)動線圈和感應線圈、且所述驅(qū)動線圈和感應線圈之間設有磁屏蔽件；

加熱裝置，用于融化所述磁滯伸縮探頭表面的凍雨；

控制電路，其與所述驅(qū)動線圈、所述感應線圈和加熱裝置相連。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述加熱裝置包括加熱棒，所述加熱棒安裝于所述腔體靠近所述磁滯伸縮探頭的一側(cè)，且所述加熱棒的上端延伸至所述磁滯伸縮探頭內(nèi)。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述殼體內(nèi)設有彈簧，所述彈簧的下端設有彈簧固定件，所述彈簧的上端設有加熱棒固定件，所述彈簧的上端抵持固定所述加熱棒固定件，所述加熱棒固定件固定所述加熱棒。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述殼體的內(nèi)腔中設有溫度傳感器，所述溫度傳感器用于測試所述殼體的溫度。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述殼體包括上殼體、下殼體和底座，所述上殼體的下端與所述下殼體的連接處設有上密封圈，所述下殼體與所述底座的連接處設有下密封圈；所述磁滯伸縮探頭部分延伸至所述上殼體內(nèi)，且所述磁滯伸縮探頭與所述上殼體的上端相連。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述上殼體的內(nèi)腔直徑小于所述下殼體的內(nèi)腔直徑，所述下殼體的內(nèi)設有電路支撐板，所述控制電路安裝于所述電路支撐板。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述控制電路包括加熱控制電路、驅(qū) 動電路、接收電路和微處理器，所述加熱控制電路連接所述加熱裝置和微處理器，所述驅(qū)動電路連接所述驅(qū)動線圈和所述微處理器，所述接收電路連接所述感應線圈和所述微處理器。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，包括如下步驟：

步驟1，設置空載狀態(tài)下磁滯伸縮凍雨傳感器的初始諧振頻率f，最大測量厚度為hmax，冰雨厚度變化量與諧振頻率變化量之間的比例系數(shù)k；

步驟2，一個測量周期內(nèi)逐次并線性的改變施加到驅(qū)動線圈上的驅(qū)動信號的頻率fn，同時記錄每一驅(qū)動信號的頻率fn對應的感應線圈的感應電壓un；

步驟3，比較感應線圈記錄的感應電壓un，并找出最大感應電壓unx所對應的諧振頻率fnx；

步驟4，根據(jù)步驟3的最大感應電壓unx所對應的諧振頻率fnx，計算當前的磁滯伸縮探頭上的結(jié)冰厚度h＝(f-fnx)/k。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其中，步驟2的具體步驟如下：

設驅(qū)動信號頻率fn的取值為：fn＝f1+(n-1)δf

其中，f1為預設的初始頻率，δf為每次增加驅(qū)動信號頻率，n為驅(qū)動信號施加到驅(qū)動線圈的次數(shù)，

將驅(qū)動信號頻率fn＝f1+(n-1)δf施加到驅(qū)動線圈，記錄每一驅(qū)動信號的頻率fn對應的感應線圈的感應電壓un；將驅(qū)動信號頻率fn與初始諧振頻率f作比較，

若fn＝f，則進入步驟3；

若fn≠f，則逐次增加n的取值，其中n為≥1的自然數(shù)，直至fn＝f，進入步驟3。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，其中，預設的初始頻率f1＝f-k*h。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明的一種磁滯伸縮凍雨傳感器包括磁滯伸縮探頭、殼體、加熱裝置和控制電路，磁滯伸縮探頭用于感應凍雨，安裝于殼體內(nèi)的驅(qū)動線圈和感應線圈用來激勵磁滯伸縮探頭并檢測信號，可以進一步檢測出凍雨的厚度，且測量結(jié)果準確；為了避免磁滯伸縮探頭長時間結(jié)冰狀態(tài)，通過加熱裝置融化磁滯伸縮探頭表面的冰凍，使得測量結(jié)果更加準確，將測量結(jié)果與多要素氣象站聯(lián)合應用，能夠有效的觀測氣象情況，為防凍、防災和減災做充足的準備。

(2)本發(fā)明中的一種磁滯伸縮凍雨傳感器的殼體內(nèi)還設有溫度傳感器，溫度傳感器用于檢測殼體表面的溫度，有效防止加熱裝置過度加熱，進一步保證測量結(jié)果的準確性。

(3)本發(fā)明的一種磁滯伸縮凍雨傳感器的殼體設有彈簧和彈簧固定件，由于傳感器與雨水接觸需要具有較好的密封，本發(fā)明的彈簧和彈簧固定件用于固定安裝加熱棒，避免打孔安裝破壞殼體的整體性和密封性，防止傳感器過水，內(nèi)部線路燒壞的情況發(fā)生；同時彈簧和彈簧固定件的結(jié)構(gòu)較為簡單，便于組合安裝，固定效果好。

(4)本發(fā)明的一種磁滯伸縮凍雨傳感器采用磁滯伸縮原理進行結(jié)冰厚度檢測，在一個測量周期內(nèi)不斷改變施加于驅(qū)動線圈的驅(qū)動信號的頻率，并記錄相應的感應電壓的大小，通過比較判斷出最大感應電壓對應的頻率是多少，此頻率就是磁滯伸縮探頭的諧振頻率，進而計算出凍雨厚度。本發(fā)明的結(jié)冰厚度檢測方法，具有很高的靈敏度，基于磁滯伸縮原理檢測凍雨可以避免水汽對測量結(jié)果的影響，提高測量的準確定和可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中圖1的a-a剖視圖。

圖3為本發(fā)明實施例的剖視圖。

圖4為本發(fā)明圖3的h的局部放大圖。

圖5為本發(fā)明的電路原理框圖。

圖中：10-磁滯伸縮探頭，11-驅(qū)動線圈，12-感應線圈，13-扼流圈，14-加熱棒，15-彈簧，16-彈簧固定件，17-加熱棒固定件，18-電路支撐板，20-殼體，21-上殼體，22-下殼體，23-底座，24-上密封圈，25-下密封圈。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

參見圖1至圖5所示，本發(fā)明實施例提供一種磁滯伸縮凍雨傳感器，包括：

殼體20，其包括上殼體21、下殼體22和底座23，上殼體21和下殼體22均呈圓筒狀，且上殼體21的直徑小于下殼體22的直徑，上殼體21的下端與下殼體22的連接處設有上密封圈24，下殼體22與底座23的連接處設有下密封圈25，底座23開設有用于緊固有航空插頭的安裝孔。

磁滯伸縮探頭10，其由鐵-鎳合金磁滯伸縮材料制成，磁滯伸縮探頭10呈圓柱體狀，磁滯伸縮探頭10內(nèi)設有下端開口的圓筒狀空腔，磁滯伸縮探頭10部分延伸至上殼體21內(nèi)，且磁滯伸縮探頭10的外表面與上殼體21的上端相連。

下殼體22與上殼體21均設有圓筒狀的內(nèi)腔，上殼體21的內(nèi)腔直徑小于下殼體22的內(nèi)腔直徑，且下殼體22的內(nèi)腔與上殼體21的內(nèi)腔向聯(lián)通形成貫穿的腔體。磁滯伸縮探頭10的下端延伸至上殼體21內(nèi)，且此時磁滯伸縮探頭10的內(nèi)腔、上殼體21的內(nèi)腔和下殼體 22的內(nèi)腔共軸。

位于上殼體21的內(nèi)腔中的磁滯伸縮探頭10的外表面設有對磁滯伸縮探頭10進行勵磁的驅(qū)動線圈11、對磁滯伸縮探頭10的磁特性的變化進行檢測的感應線圈12、和用于隔斷驅(qū)動線圈11和感應線圈12的扼流圈13，感應線圈12靠近磁滯伸縮探頭10的上端，驅(qū)動線圈11較勁磁滯伸縮探頭10的下端，扼流圈13位于感應線圈12和驅(qū)動線圈11之間。

加熱裝置，其包括加熱棒14，加熱棒14安裝于上殼體21的內(nèi)腔中且加熱棒14的上端向上至磁滯伸縮探頭10的內(nèi)腔中，上殼體21的內(nèi)腔中設有彈簧15，下殼體22的內(nèi)腔的一端設有彈簧固定件16，彈簧固定件16固定彈簧15的下端，彈簧15的上端設有加熱棒固定件17，彈簧15的上端抵持固定加熱棒固定件17，加熱棒固定件17固定加熱棒14。

殼體20的內(nèi)腔中設有溫度傳感器，溫度傳感器用于測試殼體20的溫度。

控制電路，下殼體22的內(nèi)腔中設有電路支撐板18，電路支撐板18用于安裝控制電路?？刂齐娐钒訜峥刂齐娐?、驅(qū)動電路、接收電路、存儲器、電壓監(jiān)控看門狗、微處理器和接口板，加熱控制電路連接加熱棒14和微處理器，驅(qū)動電路連接驅(qū)動線圈11和微處理器，接收電路連接感應線圈12和微處理器，存儲器通過總線連接微處理器，電壓監(jiān)控看門狗與微處理器相連，接口板連接微處理器，且為各電路提供電源

存儲器中存儲了傳感器的頻率校準參數(shù)、加熱化冰時間參數(shù)等工作參數(shù)，電壓監(jiān)控看門狗保證微處理器因受到強干擾而導致程序跑飛后能夠及時恢復。

驅(qū)動電路由dds數(shù)字信號發(fā)生器、dac、高速運放放大器組成，微處理器控制dds數(shù)字信號發(fā)生器和dac芯片產(chǎn)生正弦波信號，再由運算放大器進行功率放大后驅(qū)動后端的驅(qū)動線圈。

接收電路由放大電路、adc模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成，儀表放大器將感應線圈接收到的微弱的電壓信號進行濾波放大，放大后的電壓信號進入高速adc轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過spi總線傳輸?shù)轿⑻幚砥?，微處理器對接收到的?shù)據(jù)進行傅里葉變換等一系列處理和計算后得出結(jié)冰厚度數(shù)據(jù)。

使用上述磁滯伸縮凍雨傳感器的結(jié)冰厚度檢測方法，包括如下步驟：

步驟1，設置空載狀態(tài)下磁滯伸縮凍雨傳感器的初始諧振頻率f，最大測量厚度為hmax，冰雨厚度變化量與諧振頻率變化量之間的比例系數(shù)k；

步驟2，一個測量周期內(nèi)逐次改變施加到驅(qū)動線圈上的驅(qū)動信號的頻率fn，同時記錄每一驅(qū)動信號的頻率fn對應的感應線圈的感應電壓un，具體步驟如下：

設驅(qū)動信號頻率fn的取值為：fn＝f1+(n-1)δf

其中，f1為預設的初始頻率，且f1＝f-k*h，δf為每次增加驅(qū)動信號頻率，n為驅(qū)動信號施加到驅(qū)動線圈的次數(shù)，

將驅(qū)動信號頻率fn＝f1+(n-1)δf施加到驅(qū)動線圈，記錄每一驅(qū)動信號的頻率fn對應的感應線圈的感應電壓un；將驅(qū)動信號頻率fn與初始諧振頻率f作比較，

若fn＝f，則進入步驟3；

若fn≠f，則逐次增加n的取值，其中n為≥1的自然數(shù)，直至fn＝f，進入步驟3；

步驟3，比較感應線圈記錄的感應電壓un，并找出最大感應電壓unx所對應的諧振頻率fnx；

步驟4，根據(jù)步驟3的最大感應電壓unx所對應的諧振頻率fnx，計算當前的磁滯伸縮探頭上的結(jié)冰厚度h＝(f-fnx)/k。

本發(fā)明不局限于上述實施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。