一种剖面式海冰冰压测量系统及其测量方法与流程

本发明涉及一种压力测量系统，具体涉及一种剖面式海冰冰压测量系统及其测量方法。

背景技术：

众所周知，我国渤海、东海等沿海开阔水域在冬季都会发生大面积的结冰现象，在温度极低的情况下甚至会形成冰盖，这些冰盖不仅会导致航道阻塞，还会对船只、海上设施和海岸工程造成破坏。同时海冰的产生与消融还广泛存在于极地环境，并对极地的海洋生态系统、极地上层海洋过程、大气-海冰-海洋相互作用以及全球气候变化等方面都产生了非常显著的影响。因此，对于海冰的观测与预报是十分有必要的。而在冰的形成过程中，冰层内部所发生的力学强度变化一直是我们进行海冰观测与预报的重要科学依据之一，而这一力学强度变化恰恰反映在冰压的变化上，所以，对冰压的测量就显得极为关键。

长久以来，由于受到现有观测方法和观测设备的限制，国内外研究学者对于海冰冰压的测量采用的方式还是以现场短期人工测量为主，且往往只针对某一特定深度的冰层进行观测，无法涵盖到完整冰层的冰压测量。随着科学技术的进步，近年来也有少量研究采用自动化装备进行测量。不过这些研究采用的技术往往对海冰的原位环境破坏较大，并且不能对同一地点进行长期原位多剖面测量。因此本发明有望填补这一技术空白，从而推进我国海冰预测技术的发展和进步。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的缺点，目的在于提出了一种剖面式海冰冰压测量系统及其测量方法，其结构简单，工作稳定，可以实现对海冰冰压进行长期、原位、多层位监测。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现的：一种剖面式海冰冰压测量系统，所述测量系统包括控制箱、卫星收发天线、冰压传感器链、配重；所述控制箱中具有电源和控制模块，电源与控制模块相连；所述压力传感器链和卫星收发天线均通过电缆线与控制模块相连；所述配重固定于冰压传感器链的底部。

进一步的，所述控制模块包括微处理器、压力传感器控制模块、卫星收发模块、数据存储模块，所述压力传感器控制模块、卫星收发模块和数据存储模块均与微处理器相连，所述压力传感器控制模块与冰压传感器链相连，所述卫星收发模块与卫星收发天线相连。

进一步的，所述压力传感器链采用i²c通信协议与微处理器进行通讯与数据传输。

进一步的，所述压力传感器链由至少100片压力传感器芯片等间距依次在fpc柔性电路板上排列而成，所述间距为1.5-3cm。

进一步的，所述控制箱只设有一个外部连接口；所述控制箱搭载于浮标上。

进一步的，所述压力传感器链密封在包覆层内，所述包覆层首尾两处开有连接口，分别用于电缆线的固定连接与配重的固定连接。

进一步的，所述配重保证包覆层始终处于紧绷状态。

进一步的，还包括电缆固定装置，所述电缆固定装置包括顶板、支撑杆、锁紧杆、底板，所述顶板固定在支撑杆顶部，所述底板固定在支撑杆的下部，所述支撑杆上沿支撑杆的圆周方向均匀铰接至少三根锁紧杆；电缆线缠绕于电缆固定装置上，所述卫星收发天线安装于顶板处。

进一步的，所述三根锁紧杆为可伸缩的长杆，所述锁紧杆开合最大角度与支撑杆中心线呈45度。

进一步地，所述电源为12v锂电池。

本发明的另一目的是提供剖面式海冰冰压测量系统的测量方法，该测量方法具体如下：

电源供电后，测量系统被唤醒并进行初始化，微处理器开始工作，发送指令控制压力传感器控制模块开始进行测量；接到指令后，压力传感器控制模块向压力传感器链发送首个压力传感器地址以确定该压力传感器芯片是否在线，在得到压力传感器芯片在线回复后，压力传感器控制模块发送读取数据操作指令，随后进行冰压数据读取，当最后一位冰压数据发送完毕后，压力传感器芯片将发送一位停止符，压力传感器控制模块通过该位停止符对数据传输是否完成进行判断，在完成第一个压力传感器芯片数据的读取后，所有数据将被存储至数据存储模块内；同时压力传感器控制模块将发送下个压力传感器芯片地址并获得压力传感器芯片的响应，进行数据读取，以此类推，直到完成最后一个压力传感器芯片的数据传输，此时压力传感器控制模块通过对地址的判断确定是否已完成所有压力传感器芯片的数据读取，若确定所有压力传感器芯片数据读取完成则停止工作；

同理，卫星收发模块在接到初始信号后，将向卫星收发天线发送所读取到的冰压数据，同样通过最后一位停止符对数据传输是否完成进行判断；所述冰压数据的卫星传输将在冰压数据测量完成后进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)具有创新性的采用压力传感器链的方法实现剖面式海冰冰压测量功能，较大程度上提高了海冰内部冰压数据的完整性，使现有海冰监测模型更加完善，海冰预测更加准确。

(2)系统配置灵活，结构简单，可搭载性强。可以通过适当增加或减少压力传感器数量来控制测量的剖面深度；通过控制每个压力传感器之间的间距来控制每个层位的具体位置，使测量数据更加精确。

(3)采用可折叠的中间固定杆的方式固定电缆线，实现了远距离、多地点同时观测的功能。

(4)采用锂电池供电，并替代嵌入式系统，采用单片机进行通信与数据收集，较大程度上减小了系统的功耗，提高了系统的连续工作能力。

附图说明

图1为本发明实施例的系统连接示意图；

图2为本发明实施例的电缆固定装置结构示意图；

图3为本发明实施例的压力传感器链结构示意图；

图4为本发明实施例的控制系统工作示意图；

图5为本发明的冰压测量流程图；

图6为本发明的实际投放应用示意图；

图中，固定装置顶板1、支撑杆2、锁紧杆3、底板4、fpc柔性电路板5、压力传感器芯片6、密封舱体7、卫星收发天线8、固定杆9、电缆线10、压力传感器链11、配重12、控制箱13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种剖面式海冰冰压测量系统，所述测量系统包括控制箱13、电缆固定装置、卫星收发天线、冰压传感器链、配重12；所述控制箱内具有电源和控制模块，电源与控制模块相连，电源为12v锂电池，为整个系统提供工作电压；所述压力传感器链和卫星收发天线均通过电缆线控制模块相连；所述冰压传感器链密封在包覆层内，所述配重直接固定于包覆层底部，配重应保证包覆层始终处于紧绷状态；所述控制箱只设有一个外部连接口，用于控制模块与外部测量装置进行通信和数据传输；所述控制箱应搭载于浮标上，保证在无冰条件下仍能密闭漂浮于水面上。

如图2所示，所述电缆固定装置包括顶板1、支撑杆2、锁紧杆3、底板4，所述顶板1固定在支撑杆2顶部，所述底板4固定在支撑杆2的下部，所述支撑杆2上沿支撑杆2的圆周方向均匀铰接至少三根锁紧杆3(本实施例中采用三根)；电缆线缠绕于电缆固定装置上，所述卫星收发天线安装于顶板1处，通过电缆线与控制模块相连，实现冰压数据的卫星数据传输功能。实施过程中所述支撑杆2应穿过底板4直接固定于冰面以下10cm处；所述三根锁紧杆3为可伸缩的硬质长杆，所述锁紧杆3开合最大角度与支撑杆2中心线呈45度，用于保持整体固定装置的稳定。所述压力传感器链处的电缆线一端固定于包覆层开口处，另一端通过水密接插件固定于控制箱外部连接处，中间部分视实际投放需要缠绕于电缆固定装置处；所述卫星收发天线处的电缆线一端连接在卫星收发天线上，另一端通过水密接插件固定于控制箱外部连接处，中间部分缠绕于电缆固定装置处。

如图3所示，所述压力传感器链由至少100片压力传感器芯片6等间距依次在fpc柔性电路板5上排列而成，所述间距为1.5-3cm，用于测量不同剖面处的冰压；所述压力传感器链使用包覆材料进行水密处理，布放于海冰内部；所述包覆层开有首尾两处连接口，分别用于电缆线的固定连接与配重的固定连接。所述压力传感器链采用i²c通信协议与微处理器进行通讯与数据传输。

如图4所示，所述控制模块包括微处理器、压力传感器控制模块、卫星收发模块、数据存储模块；所述压力传感器控制模块、卫星收发模块和数据存储模块均与微处理器相连，所述压力传感器控制模块与冰压传感器链相连，所述卫星收发模块与卫星收发天线相连；压力传感器控制模块通过发送初始信号、压力传感器地址信号、数据读写信号以及停止信号等对压力传感器链进行控制；卫星收发模块通过发送初始信号、数据读取信号以及停止信号对卫星天线进行控制；所述数据存储模块用于冰压数据的存储，采用sd卡。所述微处理器可以采用atmel公司xmeaga128a1型号的产品，但不限于此；所述压力传感器控制模块可以采用honeywellsensingandproductivitysolutions公司hscmrrn2.5bg2a5型号的产品，但不限于此；所述卫星收发模块可以采用美国iridiumcommunications公司9602卫星收发器，但不限于此。

本发明的工作过程如下：

如图5所示，为所述系统测量流程图，所述测量系统工作流程为电源供电后，系统被唤醒并进行初始化，位于控制模块的微处理器开始工作，发送指令控制所述压力传感器控制模块开始进行测量；接到指令后，所述压力传感器控制模块通过电缆线向所述压力传感器链发送首个压力传感器地址以确定该传感器是否在线，在得到压力传感器芯片在线回复后，所述压力传感器控制模块发送读取数据操作指令，随后进行冰压数据读取，当最后一位冰压数据发送完毕后，压力传感器将发送一位停止符，所述压力传感器控制模块通过该位停止符对数据传输是否完成进行判断，在完成第一个传感器数据的读取后，所有数据将被存储至所述数据存储模块处的sd卡内；同时所述压力传感器控制模块将发送下个压力传感器地址并获得压力传感器芯片的响应，进行数据读取，以此类推，直到完成最后一个压力传感器芯片的数据传输，此时所述压力传感器控制模块通过对地址的判断确定是否已完成所有压力传感器芯片的数据读取，若确定所有传感器数据读取完成则停止工作；同理，所述卫星收发模块在接到初始信号后，将向卫星天线发送所读取到的冰压数据，同样通过最后一位停止符对数据传输是否完成进行判断；所述冰压数据的卫星传输将在冰压数据测量完成后进行。

如图6所示，为所述系统实际投放应用示意图，压力传感器链11与配重12将在集成后投放于所选被测区域，深度为2-4m，测量界面将从空气延伸至冰雪混合区，最后延伸至海水内，固定杆9将与卫星收发天线8集成后，视具体使用需求设置于距离压力传感器链11投放点3-5m处，最终所有电路信号将通过电缆线10连接至密封舱体7内的控制箱13。虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明使用的参数，结构及其冰压测量方法，但是本领域的技术人员将清楚的是，随着技术的发展，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，在不脱离本发明实质和精神范围内，可以对本发明进行各种修改和替换，因此，本发明的保护范围视权利要求范围所界定。