一种基于压磁材料的冰层厚度测量装置的制作方法

本发明涉及一种冰层厚度测量装置，具体地说是涉及一种基于压磁材料的冰层厚度测量装置，属于自动检测技术领域。

背景技术：

在气象预报、凌汛防治和设施结构健康监测等领域，冰层厚度的变化情况是一个需要测量的重要环境参数。为了测量冰层的厚度，人们不得不凿冰钻孔，利用尺子测量冰层的厚度。这种人工测量的方法虽然测量准确，但费时费力，危险性高，不能连续、实时地监测冰层厚度的变化。

后来，一些接触式冰层厚度测量技术和装置相继出现。中国专利（201210139060.2）公开了一种双系统冰层厚度测量装置，利用两组可以上下移动的探头，夹住冰层，通过两个探头移动的距离计算冰层的厚度。该方法虽然测量精度高，但结构复杂、量程小、难以安装和维护。中国专利（200410012164.2）和中国专利（200510012794.4）分别公开了电导式和电容式冰层厚度传感器，通过由于空气、冰和水导致的电阻和电容的差异性，确定冰层的上下界面的位置，从而计算冰层的厚度。但是，由于空气和冰的电导率和介电常数等电学特性很相近，这两种方法都不能精确地确定冰层的上界面的位置，从而无法准确地测量冰层的厚度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中接触式冰层厚度测量装置或传感器存在的缺陷和不足，提供了一种基于压磁材料的冰层厚度测量装置，通过比较冰上的空气、冰层和冰下水对压磁材料上产生的应力差异而导致的电感量的变化，可以清晰地区分冰层的上下界面的位置，从而准确地计算冰层的厚度。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种基于压磁材料的冰层厚度测量装置，包括传感单元、片选电路、微控制器、数据采集电路、电源电路和外壳；

所述传感单元为多个且相互独立，每个传感单元均包括一个压磁材料和一个线圈；片选电路包括多个片选开关，多个片选开关之间通过数据总线相连接；片选开关的数量与所有传感单元的引脚总数相一致；每个传感单元有两个线圈引脚；每个线圈引脚分别与一个片选开关的输入端相连接；所有连接着传感单元的第一个线圈引脚的片选开关的输出端都连接在一起，形成一个公共端；所有连接着传感单元的第二个线圈引脚的片选开关的输出端都连接在一起，形成另一个公共端；两个公共端分别与数据采集电路的两个输入端连接在一起；片选电路与微控制器之间通过数据总线连接在一起；数据采集电路与微控制器之间也通过数据总线连接在一起；电源电路分别给片选电路、微控制器和数据采集电路供电；

所述片选电路、微控制器、数据采集电路、电源电路均位于外壳内部且均做防水处理；所述多个传感单元附着在外壳上并沿竖直方向顺次排列且压磁材料不被外壳包裹。传感单元所在的表面需做抗氧化处理。

本发明的原理如下：压磁材料具有压磁效应。当拉力、压力或者剪切力等外力作用于压磁材料时，压磁材料内部的磁畴结构会发生变化，从而引起压磁材料的磁特性随之变化。当压磁材料和线圈贴合在一起时，线圈可将压磁材料的磁特性的变化转变为电感量的变化。当本发明的装置被安置在事先在外界冰面上钻好的洞中，然后在外界温度的作用下冰冻在冰面上时，该装置周围的介质按照从上而下的顺序分别为冰上空气、冰层和冰下水。冰层与该装置上的压磁材料冰冻在一起。在一般情况下（排除大风和大浪的情况），冰层与压磁材料之间的结合力远远大于冰上空气和冰下水对压磁材料的作用力，从而导致在冰层处的线圈的电感量远远大于在冰上空气和冰下水处的线圈的电感量。冰层的上界面是冰层与空气的交界处，按照从上而下的顺序，就位于相邻的两个线圈的电感量从小变大的地方。而冰层的下界面是冰层与冰下水的交界处，就位于相邻的两个线圈的电感量从大变小的地方。因此，该装置上的微控制器通过控制片选开关，利用数据采集电路依次测量并比较不同位置上的线圈的电感量，就可以判断冰层的上下界面的位置，从而计算出冰层的厚度。

进一步的，所述传感单元还包括用于固定线圈和压磁材料的连接板；所述压磁材料是铁磁材料；所述线圈为平面螺旋线圈且等间距设在连接板表面；压磁材料和线圈的外形可以是圆形或长方形；压磁材料的尺寸大于线圈的尺寸；压磁材料的四周通过粘合剂粘贴在线圈周围的连接板之上使线圈位于压磁材料的正下方，但压磁材料与线圈重合的区域没有粘合剂；连接板呈竖直安装在外壳上。

进一步的，所述外壳由耐低温塑料材料制成，用于固定压磁材料、线圈、片选电路、微控制器、数据采集电路和电源电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果是结构简单、稳定可靠、安装维护方便，并可清晰区分冰层的上下界面的位置，从而准确地计算冰层的厚度。

附图说明

图1是基于压磁材料的冰层厚度测量装置示意图。

图2是整体示意图。

1-压磁材料，2-线圈，3-片选电路，4-微控制器，5-数据采集电路，6-电源电路，7-空气，8-冰层，9-冰下水，10-传感单元，11-片选开关，12-外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明包括传感单元10、片选电路3、微控制器4、数据采集电路5、电源电路6和外壳12，如图1所示。

传感单元10为多个且相互独立，每个传感单元10均包括一个压磁材料1和一个线圈2；。片选电路3包括多个片选开关11，片选开关11之间通过数据总线相连接。片选开关11的数量与所有传感单元10的引脚总数相一致；每个传感单元10有两个线圈引脚；每个线圈引脚分别与一个片选开关11的输入端相连接；所有连接着传感单元10的第一个线圈引脚的片选开关11的输出端都连接在一起，形成一个公共端；所有连接着传感单元10的第二个线圈引脚的片选开关11的输出端都连接在一起，形成另一个公共端。两个公共端分别与数据采集电路5的两个输入端连接在一起。片选电路3与微控制器4之间通过数据总线连接在一起；数据采集电路5与微控制器4之间也通过数据总线连接在一起。电源电路6分别给片选电路3、微控制器4和数据采集电路5供电。

压磁材料1是具有优异压磁效应的铁磁材料，外形可以为圆形或长方形。压磁材料1，优选METGLAS^＠2826mbMB带材，带材厚度为1mm，经切割后为长方形材料，尺寸为30mm×20mm。

线圈2为平面螺旋线圈，外形可以为圆形或长方形。这里，优选PCB（印刷电路板）平面螺旋线圈，外形为长方形，尺寸为20mm×10mm，线径为0.102mm，线的间隔为0.102mm，厚度为35μm，圈数为50圈。一个PCB板有5个平面螺旋线圈，每个平面螺旋线圈沿着PCB的中线依次排列，间隔10mm。PCB的尺寸为150mm×50mm。PCB的基材是玻纤板，厚度为4mm。这里，玻纤板就是固定压磁材料1和线圈2的连接板。

压磁材料1和线圈2组成多个独立的传感单元10，用于将空气7、冰层8和冰下水9对压磁材料1的作用力变换为电感量。该作用力与电感量之间成正比关系，作用力越大，电感量就越大。每个传感单元10都包括一个压磁材料1和一个线圈2。线圈2位于压磁材料1的正下方。线圈2的尺寸要小于压磁材料1的尺寸。压磁材料1与线圈2之间不相交的部分通过粘合剂粘贴在一起，但相交的区域之间没有粘合剂。因此，METGLAS^＠2826mbMB材料通过粘合剂直接贴在玻纤板上，并使平面螺旋线圈位于METGLAS^＠2826mbMB材料的正下方。

片选电路3优选利用开关芯片ADGS1412来实现对每一路传感单元10的选通。ADGS1412包含四路独立的单刀单掷开关（即四路片选开关11），通过SPI数据总线控制。每一个ADGS1412可以连接两个传感单元10。片选开关11的数量需要与传感单元10的数量相匹配。多个ADGS1412之间通过SPI总线连接。

数据采集电路5优选利用美国德州仪器公司的电感数字转换器LDC1000实现对每一路传感单元10的数据采集。LDC1000的两个输入端与片选电路3的两个公共端连接在一起。同时，LDC1000的两个输入端还需并联一个电容。当某一路传感单元10被选通时，传感单元10中的线圈2和电容形成LC谐振电路。LC谐振电路的共振频率需在5kHz~5MHz范围里，其等效电阻需在798Ω~3.93MΩ的范围里。由于电容值为常量，LC谐振电路的共振频率取决于线圈2的电感量。而线圈2的电感量又会被压磁材料1的磁特性所影响。因此，当空气7、冰层8和冰下水9与传感单元10的压磁材料1相接触，它们对压磁材料1的作用力各不相同，导致压磁材料1的磁特性差异，使传感单元10的线圈2的电感量发生变化，最终引起LC谐振电路的共振频率变化。利用LDC1000实现的数据采集电路5的输出为频率值。该频率值与传感单元10的电感量成反比，电感量越大，则频率值越小。

微控制器4优选美国德州仪器公司的微控制器CC1310作为该装置的控制单元，控制片选电路3和数据采集电路5。CC1310内部集成了48MHz Cortex^@-M3微控制器和超低功耗的RF收发器，支持两路SPI数据总线和远距离数据传输。微控制器CC1310的第一路SPI数据总线与由LDC1000搭建的数据采集电路5连接在一起。微控制器CC1310的第二路SPI数据总线与由ADGS1412搭建的片选电路3连接在一起。

电源电路6优选利用电源转换芯片LM2575和LM1117来实现电压转换，分别给片选电路3、微控制器4和数据采集电路5供电。

外壳12用于固定传感单元10、片选电路3、微控制器4、数据采集电路5和电源电路6。其中，片选电路3、微控制器4、数据采集电路5和电源电路6位于外壳12内，并需做防水处理。压磁材料1需要与外界接触，不能被外壳12包裹住。外壳12优选利用耐低温聚乙烯（PE）材料制成，整体呈一个凹槽结构。外壳12的宽度需与用于固定线圈2的压磁材料1和线圈2的连接板的宽度相同。连接板的背面（即没有压磁材料1和线圈2的一面）利用粘合剂贴在凹槽上，使连接板上的压磁材料1向外，从而将外壳12的凹槽上方闭合。片选电路3、微控制器4、数据采集电路5和电源电路6都在凹槽中，并通过环氧树脂浇筑为一个长方体。在贴合了压磁材料1的连接板的表面还需利用环氧树脂涂覆，形成一层抗氧化层，不仅可以防止压磁材料1被外界氧化腐蚀，而且可以防止压磁材料1与线圈2之间的空隙内进水。涂覆后，在压磁材料1上形成的抗氧化层的厚度为大约20μm左右。

外壳12的长度和传感单元10的数量需要根据待测冰层8的厚度最大值进行设计。外壳12的长度和传感单元10分布的范围需超过待测冰层8厚度的最大值，确保传感单元10需分别分布在空气7、冰层8和冰下水9中。传感单元10中线圈2的尺寸和间隔决定了测量的精度。线圈2的尺寸和间隔越小，测量精度越高。

本发明的冰层厚度测量装置，如图2所示，主要适用于对河流、湖泊或者水库的冰层进行冰层厚度自动化测量。

以下列举了一个具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的说明。

该实施例是利用该装置测量湖泊的冰层厚度：

测量前，该装置需垂直于冰面伸进事先凿开的冰洞，并通过外部支架（例如木头或者脚手架等）固定在冰面上，并确保待冰洞重新结冰封冻以后，传感单元10分别分布在空气7、冰层8和冰下水9中。

测量时，微控制器4首先通过SPI数据总线控制片选电路3从上向下依次选通待测的传感单元10所对应的片选开关11，断开其他的片选开关11。然后，微控制器4通过SPI数据总线控制数据采集电路5对待测的传感单元10进行测量。

当测量完毕后，微控制器4从上向下比较每一路的频率值。由于在一般情况下（排除大风和大浪的情况），冰层8对传感单元10的作用力远大于空气7和冰下水9对传感单元10的作用力，因此数据采集电路5对在冰层8处的传感单元10测量时输出的频率值相对在空气7或冰下水9中输出的频率值要小很多。当某一路的频率值相对于上一路的频率值变小很多，则可认为这一路传感单元10在冰层8中。这里也就是冰层8的上界面（冰层8和空气7的交界处）。微控制器4保存这一路传感单元10的序号（每一路传感单元10都有一个唯一的序号，按照从上而下的顺序依次增大），设为a。当某一路的频率值相对于上一路的频率值变大很多，则可认为这一路传感单元10在冰下水9中。这里也就是冰层8的下界面（冰层8和冰下水9的交界处）。微控制器4保存这一路传感单元的序号，设为b。最后，微控制器4通过上下界面的位置就可以计算出冰层的厚度，如公式1所示。

（1）