同面多电极感应式冰层厚度传感器及其检测系统的设计与研究

【摘要】：本课题是在高等学校博士学科点博导类专项科研基金项目(20091402110004)、山西省研究生优秀创新项目(80010402100171)资助下进行的一项应用基础研究。 冰层厚度的连续检测是南北极科考、防凌减灾、水文、水电工程安全运行、环保气象等领域急需的应用技术之一。在总结目前各种冰层厚度检测方法优缺点的基础上,本论文提出了一种利用同面多电极感应方式实现对冰层厚度进行连续自动检测的新方法。该检测方法原理为：将同面多电极传感器垂直放置于检测河道空间,传感器某个电极被外施激励信号(其余电极接地)激励电极和接地电极之间形成散射电场,不同介电常数的被测物质(空气、冰、水)靠近散射电场时,电极上方电场强度会呈现不同的数值,通过分析测量电场强度的数值差异,可以确定各电极所处水平断面被测物质的物理形态(水、冰,还是空气),进而实现冰层厚度和冰下水位的自动检测。针对这一新的检测冰层厚度方法,论文进行了以下几方面的研究工作： 1.通过查阅大量资料,对目前存在的冰层厚度检测方法的优缺点进行了比较,提出了使用同面多电极电场感应技术实现冰层厚度检测的方法。 2.采用理论分析、仿真实验等多种手段对新的冰层厚度检测方法进行了基础理论研究,为同面多电极感应式冰层厚度传感器的设计奠定了理论基础。 3.在理论分析和仿真实验基础上,设计了专用的同面多电极感应式冰层厚度传感器实验装置,并在实验室中进行了大量的机理实验,验证了同面多电极感应方式实现冰层厚度检测的可行性。 4.针对工程应用特点,设计、研制了同面多电极感应式冰层厚度传感器及其检测系统,包括整个系统的硬件电路,软件应用程序和系统结构。 5.采用新研制的同面多电极感应式冰层厚度传感器及其检测系统,与黄河水利委员会宁蒙局科技人员合作,于2009.12-2010.3在黄河内蒙头道拐河道进行了为期四个月的工程应用试验。试验过程表明,新研制的同面多电极感应式冰层厚度传感器及其检测系统运行可靠,实现了各项预定的设计功能,通过对现场获取试验数据的近一步分析,证明新的冰层厚度检测方法是完全可行的。 通过一年多的努力,在指导老师和课题组同学的协助下,本论文完成了预定的各项研究任务。值得高兴的是本论文提出的同面多电极感应方式实现对冰层厚度连续自动检测的新方法已经被中国极地研究中心海冰研究室采用,计划作为中国第28次南极科考海冰观测项目试验技术之一。我相信,通过在实际工程应用中不断改进,新的冰层厚度检测方法和设备将会得到进一步的完善和提高。