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基于空气、冰与水的电导率检测冰厚的理论与应用研究

秦建敏  
【摘要】:空气、冰与非纯净的自然水(包括一般的雨水、自来水、地下水、河水、湖水 和海水等)具有不同的导电特性,三者中空气导电性最差,呈现绝缘状态,自然水 导电性最好,冰介于其中。利用空气、冰与自然水在导电特性上的差别,融合水文、 电子信息处理、传感器和计算机数据与通信等多学科技术构成数字式冰层厚度传感 器及冰层厚度检测系统,可以实现冰生消过程中对冰层厚度的定点或区域范围内离 散监测点连续自动化监测和在冰冻条件下水位的有压或无压检测,这一研究成果可 以应用于长距离输水工程输水渠道、水库、河道、湖泊冰生消过程,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 论与技术手段。这一新的检测方法的提出与实现在水文预报、环境监测、防灾减灾、 极地科考等领域均有重要的理论意义和实用价值。 本文所做的主要工作: a.系统研究了自然水在液态与固态下的导电特性,分析了其在不同温度条件下 电导率变化的规律,提出了冰具有弱导电性这一概念。 b.根据空气、冰、水具有不同的导电特性,.提出了绝缘层(空气层)、弱导 西安理工大学博士学位论文 电层(冰层)和良导电层(冰下自然水)的划分方法,系统的提出了利用电导率 识别冰层上、下界面的冰层厚度检测方法及其系统结构。 c.研制成功了新型的“冰层厚度传感器”,实现了对冰层的定点连续自动检测。 d.将单片机技术,数字电子信息处理技术及移动通信技术融为一体,设计并研 制成功数字化定点冰情遥测系统。 e.利用移动通信中的GSM短消息数据传输技术作为辅助手段,提出了对河道 区域范围内离散监测点冰层厚度与冰下水位的自动化定点连续检测的方法. L将研制成功的冰层厚度传感器及数据采集系统应用于国家第21次南极科学 考察对“普里兹湾海冰”及中山站周边湖泊及冰川变化进行观察与研究项目中。 关键词:冰层厚度;水位;电导率;传感器;GSM 本研究得到:国家自然科学基金重点项目(40233032)、国家自然科学基金面 上项目(60274028)、LIJ西省自然科学基金项目(20021036)的资助。


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