[发明专利]一种测量冰层厚度的传感器

说明书

本发明提供一种原位测量冰层厚度的传感器，传感器包括不锈钢套筒，不锈钢套筒内径4.5cm，长度30cm，距顶部1cm处有宽度0.5cm的贯穿到底部的单侧开口，套筒壁厚0.2cm，顶端外部有丝口，可与电钻旋转连接，底部带齿，套筒中心有直径0.5cm的不锈钢针，长度为30cm，顶部通过环氧树脂固定，并与套筒隔绝，套筒顶端有BNC接头，使得套筒与同轴电缆外层金属网连接，探针与同轴电缆中心金属丝连接。本发明价格低廉，无需电阻电容式传感器中的精密仪器，因此便于生产应用。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种测量冰层厚度的传感器。

背景技术

对水库、河流、湖泊、海洋、冰川等冰层厚度及冰层内部生消变化实现连续自动化监测一直是国内外多个领域迫切希望解决的一个问题，而且对冰层厚度的监测往往是在野外，交通与供电不便、气候环境恶劣等不利的工作条件下进行。因此，可以适应于野外环境条件下能够反映冰层内部变化的高精度自动监测的方法及设备是很具有实用价值的。

目前，国内外测量冰、雪厚度的方法可以归纳为三种类型：

(1)依靠发射的电磁波、声波等穿透冰层，利用其返回到接收器的时间换算出冰、雪的厚度。通过卫星、雷达进行海冰监测就属于这一类型。但由于冰、雪的性质受到其内部温度的控制，造成实测方法有较大的误差。

(2)依靠超声波和激光到达冰、雪界面时反射回来的时间，计算出距界面的距离，实测精度受到局部表面起伏的影响，厚度的变化需要在冰、雪层的表面和地面相对测试才能体现，仰视冰剖面声呐探测冰层厚度就属于这种方法。

(3)直接钻孔测量。该方法简单可靠，但需要密集的人力，同时由于破坏取样，无法连续原位观测。

最新的冰层厚度传感器是由太原理工大学秦建敏团队提出的基于空气、冰与水电阻、电容差异的冰厚度传感器。大量的实验结果证明，包含有导电离子的自然水在常温下是导电的，随着温度的降低，其电阻率会逐渐升高；当温度低于0℃结冰以后，一般情况下是将冰作为绝缘体，而实验显示，当温度逐渐降低时，虽然冰的电阻值将大大增加，但在一定的温度范围内(0～-20℃)仍有弱导电性，而空气是绝缘体，冰与水、空气的电阻差异用于区分冰水界面和冰气界面，从而确定冰层厚度，如图1所示。

但此种方法存在以下缺点：

(1)该传感器测得的冰层厚度为非连续的，其精度由上下相邻的接触点之间的间隔决定。

例如，接触点间隔0.8cm，测得得冰层厚度为0.8cm的整数倍，若冰水界面正好在两个接触点之间，界面之上的接触点测得电阻显示介质为冰，界面之下的接触点测得电阻显示介质为水，最后测得的冰层厚度到界面之上接触点位置为止，比实际厚度偏小。

(2)外露的接触式感应使得其野外适用性降低。由于需要介质连通接触点处的电路，该传感器电路必须外露，因此欲提高测量精度则必然要求接触点的金属导体足够细薄，在野外环境中，特别是寒冷环境，容易发生断丝(李新宇，2006)；同时，外露的细薄接触点电路也容易受到冰层生消过程中胀缩作用的影响而发生位移，从而使测量结果产生误差。

(3)不便于安装。为防止各接触电路短路，所有接触点需固定在绝缘材料上，无论是陶瓷还是树脂等绝缘材料，直接安装都比较困难，需要先使用电钻在冰上凿出安装孔，如图2所示。可以明显看到冰层下的水通过安装孔浸没传感器，此时一方面传感器周围为水，无法测量冰厚，需要等待水重新结冰；另一方面即使重新结冰，其厚度与原始冰层厚度也存在差异。

(4)复杂的控制系统增加了野外使用的不确定性。其布置形式决定了该传感器需要在使用过程中需要通过单片机控制电压在每个接触点上都加载，测出整个传感器纵向的电阻分布，增加了失控的风险。