基于空氣、冰與水的物理特性差異實(shí)現(xiàn)冰生消過程的實(shí)時(shí)檢測是一種新的冰情檢測方法，基于這一思路，本文介紹了電容感應(yīng)式冰層厚度傳感器結(jié)構(gòu)，并將研制成功的電容感應(yīng)式冰層厚度傳感器在黃河內(nèi)蒙河道進(jìn)行了冰層厚度連續(xù)監(jiān)測應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了利用電容感應(yīng)技術(shù)測量冰層厚度方法的可行性。新型傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于冬季結(jié)冰河道冰層厚度及冰下水位的連續(xù)自動監(jiān)測。

　　對海冰、內(nèi)陸河流河道、湖泊、水庫等冰生消過程連續(xù)在線檢測是南北極科考、高寒區(qū)水工設(shè)施防冰凌災(zāi)害與設(shè)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測、氣象、水文信息測報(bào)等領(lǐng)域急需的應(yīng)用技術(shù)。利用衛(wèi)星遙感、雷達(dá)、聲納等方法可實(shí)現(xiàn)大面積海冰冰厚的測量，缺點(diǎn)是準(zhǔn)確性差、精度低。光纖式結(jié)冰傳感器常用于飛機(jī)機(jī)翼冰厚的測量，雖然檢測精度高，但是對被測物的防震功能有很高要求。依據(jù)冰模型進(jìn)行冰厚預(yù)測的方法需依據(jù)歷史水文資料建立模型計(jì)算得出，并受到實(shí)時(shí)的水文、氣象等諸多條件的影響，其準(zhǔn)確性和精度往往在事后才能得到證實(shí)。以上這些冰情檢測方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但它們存在的一個(gè)共同缺陷是無法實(shí)現(xiàn)冰層內(nèi)部物理狀態(tài)的完整連續(xù)檢測。文獻(xiàn)中提到利用空氣、冰與水物理特性差異的冰情檢測原理來實(shí)現(xiàn)冰生消過程連續(xù)在線檢測的新思路�；�于這一思路，本文介紹了一種利用空氣、冰、水介電特性差異進(jìn)行冰層厚度檢測的新型電容感應(yīng)式冰厚傳感器結(jié)構(gòu)，對其檢測原理進(jìn)行了介紹，在此基礎(chǔ)上利用研制成功的電容感應(yīng)式冰厚傳感器在黃河內(nèi)蒙頭道拐河道進(jìn)行了工程現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)。

1、冰情檢測原理及傳感器結(jié)構(gòu)

　　由文獻(xiàn)可知，為了獲取冰與冰層下水體內(nèi)部的物理形態(tài)，我們根據(jù)空氣、冰與水的相關(guān)物理參數(shù)( 可以是等效電阻，等效電容，介電常數(shù)，溫度等) 取值范圍具有較大差異的特點(diǎn)，可將河冰或海冰生消過程檢測點(diǎn)的垂直立體空間劃分為三個(gè)不同的區(qū)域。即： 冰( 或水) 面上空氣層、冰層和冰下水體層三個(gè)不同檢測區(qū)間，通過一定電路手段分層檢測其相應(yīng)的物理參數(shù)值，就可以通過獲取的相關(guān)物理參數(shù)值與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已知被測介質(zhì)物理參數(shù)標(biāo)定取值范圍對比，判定每一水平高度平面被測介質(zhì)處于何種物理形態(tài)( 空氣，固態(tài)冰，還是液態(tài)水) ，進(jìn)而可以進(jìn)一步確定冰層的厚度與冰下水位的高度，這一檢測原理即稱為基于空氣、冰、水電物理特性差異進(jìn)行冰層厚度檢測的原理。圖1 是典型的基于空氣、冰與水電阻特性差異進(jìn)行冰層厚度檢測的原理圖。

圖1 基于空氣、冰與水電阻特性差異冰層厚度檢測原理

　　圖1 中，左邊虛線框所示為分層檢測三個(gè)被測區(qū)域內(nèi)介質(zhì)等效電阻的多組檢測觸點(diǎn)，右邊虛線框?yàn)橐詥纹瑱C(jī)為核心構(gòu)成的信號檢測處理電路。檢測過程中，各水平高度平面對應(yīng)的觸點(diǎn)可編程邏輯器件CPLD 構(gòu)成的譯碼電路依次選通，檢測觸點(diǎn)之間的被測介質(zhì)等效電阻Ri與標(biāo)準(zhǔn)分壓電阻R0串聯(lián)形成電阻分壓電路，單片機(jī)通過采集分壓電阻R0上的電壓值可以計(jì)算出檢測觸點(diǎn)水平層面被測介質(zhì)等效電阻對應(yīng)的分壓值，根據(jù)串聯(lián)電路分壓原理可得到被測介質(zhì)等效電阻Ri的值為：

　　將計(jì)算獲得的等效電阻值與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已知被測介質(zhì)物理參數(shù)標(biāo)定取值范圍對比，即可判定每一垂直高度平面被測介質(zhì)處于何種物理形態(tài)。

結(jié)束語

　　通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可看出在冰層、水層與空氣層三種不同介質(zhì)中的電極電壓分量都有較明顯的變化，可以很方便的分辨出各電極周圍所存在的介質(zhì)層，達(dá)到區(qū)分空氣、冰與水的目的。因此，電容感應(yīng)式冰層厚度傳感器檢測方法是可行的。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，非常適合野外無人自動化檢測。