新型電容數(shù)字式冰層厚度傳感器及其檢測(cè)方法的研究.pdf

1、本課題是在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“冰層厚度傳感器及其檢測(cè)方法的研究”(60672028)和2008年山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新重點(diǎn)資助項(xiàng)目“基于空氣與冰物理特性差異的電力網(wǎng)覆冰厚度遙測(cè)系統(tǒng)”(20081009)等項(xiàng)目資助下進(jìn)行的一項(xiàng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。
　　 2008年我國南方地區(qū)的冰凍自然災(zāi)害，2009年黃河壺口瀑布冰凌災(zāi)害，2010年的冷冬致使黃河流域、渤海灣海域冰封面積超過歷史最大記錄，全球變暖，冰川消融，海平面上升等等一系列變化無不影

2、響著人們正常的生產(chǎn)生活。大自然正頻繁地為我們敲響警鐘。如何能在災(zāi)難來臨之前就發(fā)出預(yù)警信號(hào)，在悲劇發(fā)生前就采取相應(yīng)減災(zāi)防范措施？這就需要對(duì)冰層厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解冰雪、冰凌的生消變化情況。鑒于此，本文提出了基于空氣、冰與水的電容特性差異，通過電容值到數(shù)字信號(hào)的直接轉(zhuǎn)換來測(cè)量冰層厚度的新方法。
　　 在繼承實(shí)驗(yàn)室前期取得的科研成果的基礎(chǔ)上，為改善電阻式冰厚傳感器在分辨冰與水、冰與空氣的分界面上存在誤差的情況，對(duì)比其優(yōu)勢(shì)及實(shí)驗(yàn)過

3、程中發(fā)現(xiàn)的問題，筆者探索研發(fā)了新型電容數(shù)字式冰層厚度傳感器。針對(duì)傳統(tǒng)交流法測(cè)量及傳輸電容數(shù)據(jù)過程中存在的弊端，提出了利用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器CDC(Capacitance to Digital Converter) 直接將傳感器測(cè)得的電容值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳回檢測(cè)系統(tǒng)來確定冰層厚度的檢測(cè)思路。然而，目前市場(chǎng)可用的CDC輸入電容范圍均遠(yuǎn)小于前期實(shí)驗(yàn)測(cè)得的范圍，這就需要在傳感器的結(jié)構(gòu)、選材等方面進(jìn)行改造，使其適配于CDC的測(cè)量范圍。由筆者設(shè)計(jì)的改進(jìn)

4、型電容式冰層厚度傳感器模型采用了垂直雙排線極板尺形結(jié)構(gòu)。在經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)機(jī)理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過對(duì)傳感器電容檢測(cè)極板外層增加保護(hù)層絕緣，將傳感器電容檢測(cè)極板與被測(cè)物隔離，使采集獲得的被測(cè)介質(zhì)電容值保持在CDC芯片的有效檢測(cè)范圍內(nèi)。將CDC芯片AD7747與傳感器直接相連并置于同一測(cè)量環(huán)境中。當(dāng)以單片機(jī)為核心的智能化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收到傳感器采回的被測(cè)介質(zhì)電容數(shù)據(jù)后，通過系統(tǒng)內(nèi)嵌的判斷程序分辨出冰、水、空氣的分界面，即可判斷出冰層厚度。<

5、br>　　 該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)采用太陽能供電、計(jì)算機(jī)/單片機(jī)信息處理、移動(dòng)通信數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、單總線集成溫度梯度檢測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在移動(dòng)通信信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)不受地域與天氣環(huán)境限制的冰水情信息實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，不僅可以滿足電力網(wǎng)線塔架覆冰厚度自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)的需求，也可應(yīng)用于森林、野外各種建筑物及海上石油鉆井平臺(tái)等惡劣環(huán)境下對(duì)冰層厚度的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。該研究成果已成功應(yīng)用于參賽項(xiàng)目“基于空氣、冰與水物理特性差異的