专利名称：电容式冰层厚度传感器及其检测方法
技术领域：
电容式冰层厚度传感器及其检测方法属于自动化检测技术领域的一项发明。它是一种可以在冰冻条件下对河流渠道、湖泊、水库、长距离输水工程、极地考察、地质与环境监测及各种水电工程冰层生消过程进行冰层厚度定点自动连续检测的传感器装置。
背景技术：
国内外在冬季冰冻条件下对冰层生消过程中冰层厚度进行定点自动连续检测的传感器装置很少。目前国内外应用的冰生消检测技术可归纳为三种类型，一类是直接测量法，它依靠人工凿冰或打钻直接测量冰厚和水位，我国北方水文站主要采用这种方法。它的优点是数据可靠，但缺点是自动化程度低、劳动强度高、危险性大，不能保证在同一地点自动定时检测或在多地点同步进行自动化连续检测。所以至今没有完整的冰生消过程变化数据的自动连续获取方法，对冰形成的精细模型的修正起不到作用，影响到冰的生消预测预报；第二类是通过卫星或雷达进行遥测，其优点是适宜于对大面积海冰监测，缺点是无法掌握局部小范围冰层结构内部的生消变化过程，难于应用到许多河流渠道和水利设施的冰检测领域；第三类方法是古典的电磁学、声学等物理探测方法，如超声波探测法。它们的优点是操作简单、迅速，但缺点是误差大。其误差主要来自冰性质对电磁波或声波的影响。经检索我们发现的冰冻传感器有1)日本专利“一种水位测量装置“G01F 23/30Z 7143-2F，它提出一种外形为圆柱形筒，上面封口垂直安置于水中，筒内罐入防冻油其厚度比预计的冰层厚一些，水可从筒的下部进入筒中，由于比重不同防冻油飘浮在水上面，可阻挡冷空气接触水，使筒中的水不结冰，这样可以在冰冻情况下检测出无压水位，而不能对冰层厚度进行测量。2)冰层厚度传感器及其检测方法[申请(专利)号200410012164.2]是利用水，冰，空气电阻值差异进行冰层厚度检测的一种传感器，其特征是由传感器内部检测电源正极经传感器内、外侧壁中间空间内充满的被检测介质，包括水，冰，空气，与按标尺刻度位置排列的传感器每一个金属检测触点，内部刻度译码开关电路，电导识别电路与检测电源负电极组成检测回路，通过传感器内部单片机控制电路按一定编码顺序产生刻度译码开关控制信号依次接通各金属检测触点对应的检测电路进行冰层厚度测量的传感器，本发明研制成功了一种利用空气、冰和水呈现的不同电容特性能对冰层厚度进行自动测量的传感器及其检测方法。
发明内容
电容式冰层厚度传感器及其检测方法是根据空气、冰和水呈现的不同电容特性，结合电子信息处理技术研制出的一种冰层厚度检测传感器装置和一种新的冰层厚度检测方法。利用这一传感器和检测方法可以实现对冰层厚度的定点连续自动检测，达到掌握冰生消过程的目的。它可有效地在冬季环境温度不低于-40℃时准确地测量冰层厚度的变化。
电容式冰层厚度传感器是一种电容式自动检测冰层厚度的传感器，其特征是传感器由矩形塑钢材料柱体，嵌入在矩形塑钢柱体外侧壁与内侧壁之间的按标尺刻度位置排列等距离安装的由双面敷铜板材料构成的金属电容检测极片组，固定在矩形塑钢材料柱体内部的单片机控制电路，固定在矩形塑钢材料柱体内部并与各金属电容检测极片及单片机控制电路相连接的刻度译码开关电路，固定在矩形塑钢材料柱体内部并与单片机控制电路及刻度译码开关电路相连接的电容测量电路，绝缘保温密封添充材料及传感器导线连接插座组成，其中，电容测量电路采用便于通过单片机进行数据处理的运算放大器式电容测量电路构成。
使用时，首先将传感器垂直放置在冰层中，标尺刻度总长度大于冰层厚度且传感器有部分金属电容检测极片暴露于冰面之上与淹没于冰层底部，通过传感器内部单片机控制电路按一定编码顺序产生刻度译码开关控制信号使各刻度译码开关按照编码顺序依次同时接通金属电容检测极片组中上下相邻的两个金属电容检测极片，当被检测刻度译码开关导通时将把这一刻度位置上下相邻的两个金属电容检测极片和嵌入在两个金属电容检测极片之间的被检测介质，电容测量电路与固定在矩形塑钢材料柱体内部的单片机控制电路接通并形成电容检测回路，单片机控制电路通过电容测量电路将对这两个金属电容检测极片和嵌入在两个金属电容检测极片之间的被检测介质形成的电容数值进行检测计算，并根据所得电容值数值范围识别出嵌入在两个金属电容检测极片之间的被检测介质性质，判定其属于空气、冰或是水，同时，单片机控制电路将会根据这一时刻对应的刻度译码开关控制信号确定出被测两金属电容检测极片所处的标尺刻度位置，在单片机控制电路控制下将所有上下相邻的两个金属电容检测极片对应的电容检测回路都检测完毕后，单片机将能确定出不同被测介质分界位置，进而可确定出冰层与空气相接的上界面与冰层与冰下水相接的底部界面的确切标尺刻度位置，由二者的差值即可得出冰层厚度。
电容式冰层厚度传感器及其检测方法可以在冰冻条件下对河流渠道、湖泊、水库、长距离输水工程、极地考察、地质与环境监测及各种水电工程冰层生消过程进行高精度的冰层厚度连续自动检测。
本发明在对空气、冰及水的电容特性进行深入研究的基础上，采用单片机编码控制刻度译码开关依次接通不同刻度位置上下相邻的两个嵌入有被检测介质的金属电容检测极片与电容测量电路、单片机控制电路构成的电容检测回路的特殊传感器设计结构与检测方法，可以快速、准确地判断出空气、冰层界面与冰下水位的刻度位置，从而获得冰层厚度的准确数值；在整个检测过程中，控制信号采用特殊编码后的数字脉冲信号检测、识别和传输，具有很强的抗干扰能力，被测介质电容值通过电容测量电路、单片机控制电路构成的特殊电容检测电路，计算准确、迅速，并很容易与计算机直接相连，可以在恶劣环境下实现对冰层厚度的连续自动检测。
图1是“电容式冰层厚度传感器”结构示意2是“电容式冰层厚度传感器”的俯视结构示意中1、矩形塑钢材料柱体2、柱体外侧壁3、柱体内侧壁4、金属电容检测极片5、单片机控制电路6、刻度译码开关电路7、电容测量电路8、绝缘保温密封添充材料9、导线连接插座
具体实施例方式
实施方式举例1.电容式冰层厚度传感器根据测量量程所需，截取一定长度的王字形塑钢窗材料作为电容式冰层厚度传感器的柱体(1)，通过机械加工手段，如铣床铣，在矩形塑钢柱体(1)外侧壁(2)与内侧壁(3)之间的按1厘米间隔的标尺刻度位置加工成可以嵌入双面敷铜板材料的插槽组，按照插槽尺寸将加工好的双面敷铜矩形板材料作为金属电容检测极片嵌入加工好的插槽组，同时将选定的单片机控制电路(5)，刻度译码开关电路(6)，固定在矩形塑钢材料柱体(1)内部并与单片机控制电路及刻度译码开关电路相连接的电容测量电路(7)，绝缘保温密封添充材料(8)及传感器导线连接插座(9)组成，其中，电容测量电路(7)采用便于通过单片机进行数据处理的运算放大器式电容测量电路构成。
实施方式举例2.应用电容式冰层厚度传感器检测冰厚的方法首先，将附图中所示传感器在未结冰时安放在被测水中或在结冰状态下凿开冰层将其一端朝下垂直安置于冰水中且传感器应有部分部分金属电容检测极片暴露于冰面之上与淹没于冰层底部。外施工作电源及数据处理仪器通过一根多芯防水电缆与传感器导线连接插座9相连。检测时先由传感器内部的单片机控制电路5在内嵌专用软件作用下按照由上到下的顺序向刻度译码开关电路6发出导通控制信号，使各刻度译码开关电路6按一定编码顺序产生刻度译码开关控制信号依次接通上下相邻的两个金属电容检测极片，当被检测刻度译码开关导通时将把这一刻度位置的上下相邻的两个金属电容检测极片4和嵌入在两个金属电容检测极片之间的被检测介质，电容测量电路7与固定在矩形塑钢材料柱体1内部的单片机控制电路5接通并形成电容检测回路，单片机控制电路5通过电容测量电路7将对这两个金属电容检测极片4和嵌入在两个金属电容检测极片之间的被检测介质形成的电容值范围进行检测计算，并识别出嵌入在两个金属电容检测极片之间的被检测介质性质，同时，单片机控制电路5将会根据这一时刻对应的刻度译码开关控制信号确定出被测两金属电容检测极片4所处的标尺刻度位置，在单片机控制电路5控制下将所有上下相邻的两个金属电容检测极片对应的电容检测回路都检测完毕后，单片机将能确定出冰层与空气相接的上界面与冰层与冰下水相接的底部界面的确切标尺刻度位置，由二者的差值即可得出冰层厚度。这一结果还可在软件控制下通过传感器导线连接插座9与多芯防水电缆传送到外施数据处理仪器进行进一步处理。
权利要求
1.电容式冰层厚度传感器，其特征是传感器由矩形塑钢材料柱体(1)，嵌入在矩形塑钢柱体(1)外侧壁(2)与内侧壁(3)之间的按标尺刻度位置排列等距离安装的由双面敷铜板材料构成的金属电容检测极片组(4)，固定在矩形塑钢材料柱体(1)内部的单片机控制电路(5)，固定在矩形塑钢材料柱体(1)内部并与各金属电容检测极片及单片机控制电路相连接的刻度译码开关电路(6)，固定在矩形塑钢材料柱体(1)内部并与单片机控制电路及刻度译码开关电路相连接的电容测量电路(7)，绝缘保温密封添充材料(8)及传感器导线连接插座(9)组成，其中，电容测量电路(7)采用便于通过单片机进行数据处理的运算放大器式电容测量电路构成。
2.一种应用权利要求1所述的电容式冰层厚度传感器的检测方法，其特征在于首先将传感器垂直放置在冰层中，标尺刻度总长度大于冰层厚度且传感器有部分金属电容检测极片暴露于冰面之上与淹没于冰层底部，通过传感器内部单片机控制电路(5)按一定编码顺序产生刻度译码开关控制信号使各刻度译码开关(6)按照编码顺序依次同时接通金属电容检测极片组(4)中上下相邻的两个金属电容检测极片，当被检测刻度译码开关导通时将把这一刻度位置上下相邻的两个金属电容检测极片和嵌入在两个金属电容检测极片之间的被检测介质，电容测量电路(7)与固定在矩形塑钢材料柱体(1)内部的单片机控制电路(5)接通并形成电容检测回路，单片机控制电路(5)通过电容测量电路(7)将对这两个金属电容检测极片和嵌入在两个金属电容检测极片之间的被检测介质形成的电容数值进行检测计算，并根据所得电容值数值范围识别出嵌入在两个金属电容检测极片之间的被检测介质性质，判定其属于空气、冰或是水，同时，单片机控制电路(5)将会根据这一时刻对应的刻度译码开关控制信号确定出被测两金属电容检测极片所处的标尺刻度位置，在单片机控制电路(5)控制下将所有上下相邻的两个金属电容检测极片对应的电容检测回路都检测完毕后，单片机将能确定出不同被测介质分界位置，进而可确定出冰层与空气相接的上界面与冰层与冰下水相接的底部界面的确切标尺刻度位置，由二者的差值即可得出冰层厚度。
全文摘要
电容式冰层厚度传感器及其检测方法属于自动化检测技术领域，其特征是由传感器内部刻度译码开关电路，经传感器外侧壁中间按标尺刻度位置排列的一组金属电容检测极片及金属电容检测极片空间内充满的被检测介质，包括水，冰，空气，与电容测量电路和单片机控制电路组成检测回路，通过传感器内部单片机控制电路按一定编码顺序产生刻度译码开关控制信号依次接通金属电容检测极片组中上下相邻的两个金属电容检测极片对应的检测电路进行电容值的测定，并根据测得的电容值进一步确定冰层厚度的传感器，该传感器在冰冻条件下可以对河流渠道、湖泊、水库、长距离输水工程、极地考察、地质与环境监测及各种水电工程冰层生消过程的冰层厚度进行定点连续自动检测。
文档编号G01B7/02GK1737490SQ20051001279
公开日2006年2月22日 申请日期2005年9月1日 优先权日2005年9月1日
发明者秦建敏, 李志军 申请人:太原理工大学