新型電容數(shù)字式冰層厚度傳感器及其檢測方法的研究.pdf

1、本課題是在國家自然科學(xué)基金項目“冰層厚度傳感器及其檢測方法的研究”(60672028)和2008年山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新重點資助項目“基于空氣與冰物理特性差異的電力網(wǎng)覆冰厚度遙測系統(tǒng)”(20081009)等項目資助下進行的一項應(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，在悲劇發(fā)生前就采取相應(yīng)減災(zāi)防范措施？這就需要對冰層厚度進行實時監(jiān)測，及時了解冰雪、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)字信號的直接轉(zhuǎn)換來測量冰層厚度的新方法。
　　 在繼承實驗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，對比其優(yōu)勢及實驗過

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。針對傳統(tǒng)交流法測量及傳輸電容數(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) 直接將傳感器測得的電容值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳回檢測系統(tǒng)來確定冰層厚度的檢測思路。然而，目前市場可用的CDC輸入電容范圍均遠小于前期實驗測得的范圍，這就需要在傳感器的結(jié)構(gòu)、選材等方面進行改造，使其適配于CDC的測量范圍。由筆者設(shè)計的改進

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)過大量的實驗室檢測機理實驗基礎(chǔ)上，通過對傳感器電容檢測極板外層增加保護層絕緣，將傳感器電容檢測極板與被測物隔離，使采集獲得的被測介質(zhì)電容值保持在CDC芯片的有效檢測范圍內(nèi)。將CDC芯片AD7747與傳感器直接相連并置于同一測量環(huán)境中。當(dāng)以單片機為核心的智能化數(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)簡單、安裝方便、抗干擾能力強等特點，整個系統(tǒng)采用太陽能供電、計算機/單片機信息處理、移動通信數(shù)據(jù)遠傳、單總線集成溫度梯度檢測等技術(shù)，實現(xiàn)了在移動通信信號覆蓋范圍內(nèi)不受地域與天氣環(huán)境限制的冰水情信息實時遠程監(jiān)測，不僅可以滿足電力網(wǎng)線塔架覆冰厚度自動連續(xù)監(jiān)測的需求，也可應(yīng)用于森林、野外各種建筑物及海上石油鉆井平臺等惡劣環(huán)境下對冰層厚度的實時連續(xù)監(jiān)測。該研究成果已成功應(yīng)用于參賽項目“基于空氣、冰與水物理特性差異的