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基于电容感应技术的定点冰层厚度检测方法机理与应用研究

窦银科  
【摘要】: 冰层厚度及其变化过程是研究冰层生消、开河冰塞、凌汛发生的基础性因素之一;海冰厚度是描述海冰状态最基本、最重要的参数;在南北极,海冰多年的冰厚变化是世界气候变化的“窗口”,是全球气候变化的指示灯;一直以来,冰层厚度都被认为是海冰或淡水冰最难监测的物理指标之一,实现定点冰层厚度的连续实时化自动监测更是冰层厚度检测技术的一道难题。 本文在总结目前各种实际冰层厚度检测方法优缺点基础上,提出一种基于电容感应技术的定点冰层厚度及冰下水位的检测新方法。论文对电容感应技术的基本原理以及利用这一原理实现对冰层厚度定点、连续自动测量的检测方法与实现途径进行了论述。 根据作者对国内外大量的文献资料调查结果显示,目前,国内外还没有研究人员对同面多电极电容感应传感器的电容和电场强度进行完整精确的数学推导,作者采用有限元仿真的方法对同面多电极电容感应的电场进行了仿真,详细直观地揭示了利用电容感应方式进行冰层厚度测量的机理;根据空气、冰与水具有不同的介电特性,提出了一种基于电容感应技术、通过对空气层、冰层和冰下水层电容值进行分层测量,进而实现对冰层厚度与冰下水位自动检测的新理论,新方法;为了实现分层检测的目的,作者设计、研制了独特的电容感应式冰层厚度传感器结构,为该项技术的应用实施奠定了基础;以新的电容感应式冰层厚度传感器为核心,作者融合了单片机,数字电子信息处理及移动通信技术中GSM短消息数据传输等电子信息处理技术,设计并研制成功电容感应式定点冰层厚度自动化无线实时监测系统;使用研制成功的电容式冰层厚度传感器及其检测系统在黄河内蒙河道进行了工程应用试验,获得大量的实验数据,通过对实验数据的详细分析研究,结合理论分析的结果,设计了分段平均值法和奇异普法的冰层厚度判断算法,并通过matlab编程实现,提高了冰层厚度判定的准确度,减小了误差。 本论文的研究成果可以应用于长距离输水工程明渠输水渠道、河道、水库、湖泊的冰生消过程,极地海冰、冰川表层、冻土层、北方地区近海海岸冰层等变化的定点连续自动监测,为北方地区冬季水文自动预报、河流冰凌灾害预报、水电设施安全运行、地质环境监测、冬季道路、航空、海港安全运行、冬季水库水量检测、极地科考等提供一种新的检测理论与技术实现手段,对水文预报、防灾减灾、冬季海航、极地科考等领域具有重要的理论研究和工程实用价值。


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