基于空氣、冰與水的物理特性差異實現(xiàn)冰生消過程的實時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)蒙河道進行了冰層厚度連續(xù)監(jiān)測應(yīng)用試驗，結(jié)果驗證了利用電容感應(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，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、環(huán)境監(jiān)測、氣象、水文信息測報等領(lǐng)域急需的應(yīng)用技術(shù)。利用衛(wèi)星遙感、雷達、聲納等方法可實現(xiàn)大面積海冰冰厚的測量，缺點是準確性差、精度低。光纖式結(jié)冰傳感器常用于飛機機翼冰厚的測量，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)冰模型進行冰厚預測的方法需依據(jù)歷史水文資料建立模型計算得出，并受到實時的水文、氣象等諸多條件的影響，其準確性和精度往往在事后才能得到證實。以上這些冰情檢測方法各有優(yōu)缺點，但它們存在的一個共同缺陷是無法實現(xiàn)冰層內(nèi)部物理狀態(tài)的完整連續(xù)檢測。文獻中提到利用空氣、冰與水物理特性差異的冰情檢測原理來實現(xiàn)冰生消過程連續(xù)在線檢測的新思路。基于這一思路，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)蒙頭道拐河道進行了工程現(xiàn)場應(yīng)用試驗。

1、冰情檢測原理及傳感器結(jié)構(gòu)

　　由文獻可知，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，可將河冰或海冰生消過程檢測點的垂直立體空間劃分為三個不同的區(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)值與實驗室內(nèi)已知被測介質(zhì)物理參數(shù)標定取值范圍對比，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) ，進而可以進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被測區(qū)域內(nèi)介質(zhì)等效電阻的多組檢測觸點，右邊虛線框為以單片機為核心構(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)的觸點可編程邏輯器件CPLD 構(gòu)成的譯碼電路依次選通，檢測觸點之間的被測介質(zhì)等效電阻Ri與標準分壓電阻R0串聯(lián)形成電阻分壓電路，單片機通過采集分壓電阻R0上的電壓值可以計算出檢測觸點水平層面被測介質(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：

　　將計算獲得的等效電阻值與實驗室內(nèi)已知被測介質(zhì)物理參數(shù)標定取值范圍對比，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

　　通過對實驗結(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，非常適合野外無人自動化檢測。