一种磁滞伸缩冻雨传感器及结冰厚度检测方法与流程

本发明涉及气象检测技术领域，具体涉及一种磁滞伸缩冻雨传感器及结冰厚度检测方法。

背景技术：

冻雨是由冰水混合物组成，与温度低于0℃的物体碰撞立即结冰的降水，是初冬或冬末春初时节见到的一种灾害性天气。低于0℃的雨滴在温度略低于0℃的空气中能够保持过冷状态，其外观同一般雨滴相同，当它落到温度为0℃以下的物体上时，立刻冻结成外表光滑而透明的冰层，称为雨凇。严重的雨凇会压断树木、电线杆，使通讯、供电中止，妨碍公路和铁路交通，威胁飞机的飞行安全。

对冻雨的观测是观测站通过直接看到地表物体上的凝结现象来确定，无法通过气象雷达、多普勒仪或其他传统的观测法来观测；但可以通过雷达来间接预计冻雨形成的可能性有多大。雷达信号的反射强度与降水的形式的半径有关。虽然下雨比下雪反射的信号更强，但由于雨滴的半径比雪花小得多，因此从雪融化来的雨并不比之前雪的信号强多少。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种磁滞伸缩冻雨传感器及结冰厚度检测方法，能够判断冻雨的发生，检测冻雨厚度当量，有利于气象综合观测以及防灾减灾。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种磁滞伸缩冻雨传感器，包括：

磁滞伸缩探头；

壳体，所述壳体内设有腔体，所述磁滞伸缩探头部分延伸至所述腔体内，所述磁滞伸缩探头与所述壳体相连，所述磁滞伸缩探头位于所述腔体内的部分上设有驱动线圈和感应线圈、且所述驱动线圈和感应线圈之间设有磁屏蔽件；

加热装置，用于融化所述磁滞伸缩探头表面的冻雨；

控制电路，其与所述驱动线圈、所述感应线圈和加热装置相连。

在上述技术方案的基础上，所述加热装置包括加热棒，所述加热棒安装于所述腔体靠近所述磁滞伸缩探头的一侧，且所述加热棒的上端延伸至所述磁滞伸缩探头内。

在上述技术方案的基础上，所述壳体内设有弹簧，所述弹簧的下端设有弹簧固定件，所述弹簧的上端设有加热棒固定件，所述弹簧的上端抵持固定所述加热棒固定件，所述加热棒固定件固定所述加热棒。

在上述技术方案的基础上，所述壳体的内腔中设有温度传感器，所述温度传感器用于测试所述壳体的温度。

在上述技术方案的基础上，所述壳体包括上壳体、下壳体和底座，所述上壳体的下端与所述下壳体的连接处设有上密封圈，所述下壳体与所述底座的连接处设有下密封圈；所述磁滞伸缩探头部分延伸至所述上壳体内，且所述磁滞伸缩探头与所述上壳体的上端相连。

在上述技术方案的基础上，所述上壳体的内腔直径小于所述下壳体的内腔直径，所述下壳体的内设有电路支撑板，所述控制电路安装于所述电路支撑板。

在上述技术方案的基础上，所述控制电路包括加热控制电路、驱 动电路、接收电路和微处理器，所述加热控制电路连接所述加热装置和微处理器，所述驱动电路连接所述驱动线圈和所述微处理器，所述接收电路连接所述感应线圈和所述微处理器。

在上述技术方案的基础上，包括如下步骤：

步骤1，设置空载状态下磁滞伸缩冻雨传感器的初始谐振频率f，最大测量厚度为hmax，冰雨厚度变化量与谐振频率变化量之间的比例系数k；

步骤2，一个测量周期内逐次并线性的改变施加到驱动线圈上的驱动信号的频率fn，同时记录每一驱动信号的频率fn对应的感应线圈的感应电压un；

步骤3，比较感应线圈记录的感应电压un，并找出最大感应电压unx所对应的谐振频率fnx；

步骤4，根据步骤3的最大感应电压unx所对应的谐振频率fnx，计算当前的磁滞伸缩探头上的结冰厚度h＝(f-fnx)/k。

在上述技术方案的基础上，其中，步骤2的具体步骤如下：

设驱动信号频率fn的取值为：fn＝f1+(n-1)δf

其中，f1为预设的初始频率，δf为每次增加驱动信号频率，n为驱动信号施加到驱动线圈的次数，

将驱动信号频率fn＝f1+(n-1)δf施加到驱动线圈，记录每一驱动信号的频率fn对应的感应线圈的感应电压un；将驱动信号频率fn与初始谐振频率f作比较，

若fn＝f，则进入步骤3；

若fn≠f，则逐次增加n的取值，其中n为≥1的自然数，直至fn＝f，进入步骤3。

在上述技术方案的基础上，其中，预设的初始频率f1＝f-k*h。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的一种磁滞伸缩冻雨传感器包括磁滞伸缩探头、壳体、加热装置和控制电路，磁滞伸缩探头用于感应冻雨，安装于壳体内的驱动线圈和感应线圈用来激励磁滞伸缩探头并检测信号，可以进一步检测出冻雨的厚度，且测量结果准确；为了避免磁滞伸缩探头长时间结冰状态，通过加热装置融化磁滞伸缩探头表面的冰冻，使得测量结果更加准确，将测量结果与多要素气象站联合应用，能够有效的观测气象情况，为防冻、防灾和减灾做充足的准备。

(2)本发明中的一种磁滞伸缩冻雨传感器的壳体内还设有温度传感器，温度传感器用于检测壳体表面的温度，有效防止加热装置过度加热，进一步保证测量结果的准确性。

(3)本发明的一种磁滞伸缩冻雨传感器的壳体设有弹簧和弹簧固定件，由于传感器与雨水接触需要具有较好的密封，本发明的弹簧和弹簧固定件用于固定安装加热棒，避免打孔安装破坏壳体的整体性和密封性，防止传感器过水，内部线路烧坏的情况发生；同时弹簧和弹簧固定件的结构较为简单，便于组合安装，固定效果好。

(4)本发明的一种磁滞伸缩冻雨传感器采用磁滞伸缩原理进行结冰厚度检测，在一个测量周期内不断改变施加于驱动线圈的驱动信号的频率，并记录相应的感应电压的大小，通过比较判断出最大感应电压对应的频率是多少，此频率就是磁滞伸缩探头的谐振频率，进而计算出冻雨厚度。本发明的结冰厚度检测方法，具有很高的灵敏度，基于磁滞伸缩原理检测冻雨可以避免水汽对测量结果的影响，提高测量的准确定和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例中整体结构示意图。

图2为本发明中图1的a-a剖视图。

图3为本发明实施例的剖视图。

图4为本发明图3的h的局部放大图。

图5为本发明的电路原理框图。

图中：10-磁滞伸缩探头，11-驱动线圈，12-感应线圈，13-扼流圈，14-加热棒，15-弹簧，16-弹簧固定件，17-加热棒固定件，18-电路支撑板，20-壳体，21-上壳体，22-下壳体，23-底座，24-上密封圈，25-下密封圈。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1至图5所示，本发明实施例提供一种磁滞伸缩冻雨传感器，包括：

壳体20，其包括上壳体21、下壳体22和底座23，上壳体21和下壳体22均呈圆筒状，且上壳体21的直径小于下壳体22的直径，上壳体21的下端与下壳体22的连接处设有上密封圈24，下壳体22与底座23的连接处设有下密封圈25，底座23开设有用于紧固有航空插头的安装孔。

磁滞伸缩探头10，其由铁-镍合金磁滞伸缩材料制成，磁滞伸缩探头10呈圆柱体状，磁滞伸缩探头10内设有下端开口的圆筒状空腔，磁滞伸缩探头10部分延伸至上壳体21内，且磁滞伸缩探头10的外表面与上壳体21的上端相连。

下壳体22与上壳体21均设有圆筒状的内腔，上壳体21的内腔直径小于下壳体22的内腔直径，且下壳体22的内腔与上壳体21的内腔向联通形成贯穿的腔体。磁滞伸缩探头10的下端延伸至上壳体21内，且此时磁滞伸缩探头10的内腔、上壳体21的内腔和下壳体 22的内腔共轴。

位于上壳体21的内腔中的磁滞伸缩探头10的外表面设有对磁滞伸缩探头10进行励磁的驱动线圈11、对磁滞伸缩探头10的磁特性的变化进行检测的感应线圈12、和用于隔断驱动线圈11和感应线圈12的扼流圈13，感应线圈12靠近磁滞伸缩探头10的上端，驱动线圈11较劲磁滞伸缩探头10的下端，扼流圈13位于感应线圈12和驱动线圈11之间。

加热装置，其包括加热棒14，加热棒14安装于上壳体21的内腔中且加热棒14的上端向上至磁滞伸缩探头10的内腔中，上壳体21的内腔中设有弹簧15，下壳体22的内腔的一端设有弹簧固定件16，弹簧固定件16固定弹簧15的下端，弹簧15的上端设有加热棒固定件17，弹簧15的上端抵持固定加热棒固定件17，加热棒固定件17固定加热棒14。

壳体20的内腔中设有温度传感器，温度传感器用于测试壳体20的温度。

控制电路，下壳体22的内腔中设有电路支撑板18，电路支撑板18用于安装控制电路。控制电路包括加热控制电路、驱动电路、接收电路、存储器、电压监控看门狗、微处理器和接口板，加热控制电路连接加热棒14和微处理器，驱动电路连接驱动线圈11和微处理器，接收电路连接感应线圈12和微处理器，存储器通过总线连接微处理器，电压监控看门狗与微处理器相连，接口板连接微处理器，且为各电路提供电源

存储器中存储了传感器的频率校准参数、加热化冰时间参数等工作参数，电压监控看门狗保证微处理器因受到强干扰而导致程序跑飞后能够及时恢复。

驱动电路由dds数字信号发生器、dac、高速运放放大器组成，微处理器控制dds数字信号发生器和dac芯片产生正弦波信号，再由运算放大器进行功率放大后驱动后端的驱动线圈。

接收电路由放大电路、adc模数转换电路组成，仪表放大器将感应线圈接收到的微弱的电压信号进行滤波放大，放大后的电压信号进入高速adc转换为数字信号，再通过spi总线传输到微处理器，微处理器对接收到的数据进行傅里叶变换等一系列处理和计算后得出结冰厚度数据。

使用上述磁滞伸缩冻雨传感器的结冰厚度检测方法，包括如下步骤：

步骤1，设置空载状态下磁滞伸缩冻雨传感器的初始谐振频率f，最大测量厚度为hmax，冰雨厚度变化量与谐振频率变化量之间的比例系数k；

步骤2，一个测量周期内逐次改变施加到驱动线圈上的驱动信号的频率fn，同时记录每一驱动信号的频率fn对应的感应线圈的感应电压un，具体步骤如下：

设驱动信号频率fn的取值为：fn＝f1+(n-1)δf

其中，f1为预设的初始频率，且f1＝f-k*h，δf为每次增加驱动信号频率，n为驱动信号施加到驱动线圈的次数，

将驱动信号频率fn＝f1+(n-1)δf施加到驱动线圈，记录每一驱动信号的频率fn对应的感应线圈的感应电压un；将驱动信号频率fn与初始谐振频率f作比较，

若fn＝f，则进入步骤3；

若fn≠f，则逐次增加n的取值，其中n为≥1的自然数，直至fn＝f，进入步骤3；

步骤3，比较感应线圈记录的感应电压un，并找出最大感应电压unx所对应的谐振频率fnx；

步骤4，根据步骤3的最大感应电压unx所对应的谐振频率fnx，计算当前的磁滞伸缩探头上的结冰厚度h＝(f-fnx)/k。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。