專利名稱：接觸式自動測量冰、雪厚度變化過程的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于極地冰、雪生消監(jiān)測技術(shù)、寒區(qū)水文量測技術(shù)、寒區(qū)水利工程和海洋工程冰監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。涉及到冰、雪厚度變化過程的現(xiàn)場自動測量和記錄。特別涉及到接觸式自動測量冰、雪厚度變化過程的方法。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外具有數(shù)種測量冰、雪厚度的方法，歸納起來為三類第一類物理探測技術(shù)依靠發(fā)射的電磁波、聲波等穿透冰層，用其返回到接收器時的時間換算出冰、雪的厚度。所以穿透速度是關(guān)鍵指標，但由于冰、雪的性質(zhì)受到其內(nèi)部溫度的控制，而自然界的冰、雪溫度又隨氣溫而晝夜發(fā)生變化，因此與冰性質(zhì)有關(guān)的物理參數(shù)是在一定范圍的變化值，這樣造成實測方法有較大誤差和誤差因素的不確定性。
第二類物理探測技術(shù)依靠超聲波和激光到達冰、雪界面時反射回來的時間，計算出距界面的距離，實測精度受到局部表面起伏的影響，厚度的變化需要在冰、雪層的表面和底面相對測試才能體現(xiàn)。
第三類是直接鉆孔測量，它簡單可靠，但需要強體力勞動，因現(xiàn)場條件的限制，無法實現(xiàn)定點定時觀測。近年來針對這一點也做了減少體力勞動的措施，但定時自動測量仍然存在問題。雖然直接測量的精度是厘米，但它可靠準確，被國際上公認為物理探測冰、雪厚度的校準數(shù)據(jù)。
迄今為止國際上缺少高精度冰、雪層生消過程的完整連續(xù)監(jiān)測資料，中國近20年的極地研究也需要獲取這一關(guān)鍵資料；中國寒區(qū)水文觀測、渤海冰區(qū)工程設(shè)計也期待準確的冰厚度資料。鑒于現(xiàn)場測量中風雪、潮濕和低溫條件以及減少體力勞動的考慮，發(fā)明測量精度高且能定時自動測試冰、雪厚度和厚度變化過程的方法成為冰、雪層熱力學研究及工程應用的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，在直接鉆孔測量技術(shù)原理上，提供一種在冬季現(xiàn)場風雪、潮濕、低溫條件下連續(xù)定點自動準確測試冰、雪厚度變化的方法；該方法解決了繁重的體力勞動和不能定時定點確定冰、雪厚度的缺陷，也解決了因冰性質(zhì)受溫度影響造成物理探測技術(shù)中不確定誤差因素的缺點。以滿足建立和檢驗冰、雪熱力學數(shù)值模擬和確定工程設(shè)計參數(shù)需要的準確冰、雪厚度值的要求。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，以浮力球體帶動的探測板沿支撐桿滑動直接探測冰底面距參考點的距離和重力球體帶動的探測板沿支撐桿滑動直接探測冰、雪表面距另一參考點的距離，不同時間的距離差反映冰、雪表面和底面的增減，結(jié)合初次實測冰、雪厚度得到厚度變化過程。參考點定義為探測板遠離界面的固定位置。為了防止探測板凍結(jié)到界面上，探測板探測到界面后，在短時間內(nèi)返回到參考點位置待命。利用位置傳感器實現(xiàn)參考點和界面位置的判定；利用轉(zhuǎn)速傳感器或位移傳感器測量距離；利用單片機的記錄和存儲能力，實現(xiàn)定時指令電機運動，記錄各種傳感器反饋的數(shù)據(jù)，設(shè)定時間和校對距離。使用蓄電池來解決現(xiàn)場缺少電源問題并根據(jù)現(xiàn)場潮濕、低溫特點，使用經(jīng)過保溫、防水、防腐處理的傳感器、控制儀表和單片機。
本發(fā)明的效果和益處是，直接探測冰、雪界面的位置，數(shù)據(jù)準確可靠；單片機記錄測量的位移數(shù)據(jù)和時鐘時間，達到數(shù)據(jù)自動存儲和電機定時工作的目的。測量精度達到±1mm；能夠?qū)崿F(xiàn)在現(xiàn)場風雪、潮濕、低溫和底部水流擾動條件中使用。具有現(xiàn)場攜帶方便、操作簡單的優(yōu)點。采用本發(fā)明的方法解決了繁重的體力勞動和不能定時定點確定冰、雪厚度的缺陷，也解決了因冰性質(zhì)受溫度影響造成物理探測技術(shù)中不確定誤差因素的缺點。


附圖1是用零扭距轉(zhuǎn)速傳感器實現(xiàn)接觸式自動測量冰、雪厚度變化過程方法的示意圖。
圖中(1)直流電機；(2)重力探球；(3)浮力探球；(4)位置發(fā)送傳感器；(5)零扭距轉(zhuǎn)速傳感器；(6)機械齒輪；(7)無伸縮繩索；(8)旋轉(zhuǎn)輪；(9)滑塊；(10)接觸探測板；(11)支撐桿；(12)冰、雪層。
附圖2是用磁致位移傳感器實現(xiàn)接觸式自動測量冰、雪厚度變化過程方法的示意圖。
圖中(13)磁致位移傳感器；(14)磁性環(huán)；(15)保溫涂層。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖，詳細說明本發(fā)明方法的具體實施方式
和最佳實施例。
實施例1利用零扭距轉(zhuǎn)速傳感器實現(xiàn)接觸式自動測量冰、雪厚度變化過程的方法，其具體實現(xiàn)步驟如下1)用南京旭日升12V直流電機(1)做動力，目的是驅(qū)動重力探球(2)和浮力探球(3)動作。
2)用2只無錫恒昌自控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HICKEY位置發(fā)送傳感器(4)確定探球動作的位置。
3)用1只無錫恒昌自控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HCZ-A型零扭距轉(zhuǎn)速傳感器(5)記錄機械齒輪(6)從冰、雪界面到達參考點位置的運動距離；單片機具備校正距離值的能力，其范圍為0-55毫米；齒輪(6)上每齒運動距離為1mm。
4)將探球(2)、(3)通過無伸縮繩索(7)同旋轉(zhuǎn)輪(8)連接；探球上安裝滑塊(9)和接觸探測板(10)。
5)探測板沿2根有機玻璃支撐桿(11)運動，以防止冰、雪表面刮風和冰底面水流對探測板垂直運動的影響和氣溫通過支撐桿對冰、雪生消速率的影響；支撐桿(11)也可用其它低導熱非金屬材料制成。
6)探測板(10)接觸到冰、雪(12)界面時，反向運動到參考點位置，等待下一次動作指令，以防止探測板同冰、雪界面發(fā)生凍結(jié)；探測板在冰、雪界面的停留時間設(shè)置在0-10秒間選擇；探測板動作時間間隔設(shè)置在0-60分鐘之間選擇。
7)冰、雪表面和底面設(shè)備相對安裝，同時相向運動，兩設(shè)備在平面上相差距離30-60厘米。
8)選用防水、防潮、耐低溫直流電機、控制儀表和單片機，以方便在現(xiàn)場風雪、潮濕和低溫條件正常工作。
9)用12V蓄電池供電，單板機指令在探測動作開始前3秒打開電源，探測動作結(jié)束后6秒關(guān)閉電源。
實施例2利用磁致位移傳感器實現(xiàn)接觸式自動測量冰、雪厚度變化過程的方法，其具體實現(xiàn)步驟如下1)用南京旭日升12V直流電機(1)做動力，目的是驅(qū)動重力探球(2)和浮力探球(3)動作。
2)用2只無錫恒昌自控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HICKEY位置發(fā)送傳感器(4)確定探球動作的位置。
3)用1支磁致位移傳感器(13)作為1根支撐桿；磁性環(huán)(14)套在磁致位移傳感器并固定在探測板(10)上，隨探測板一起運動；記錄磁性環(huán)從冰、雪界面到達參考點位置的運動距離；單片機具備校正距離值的能力，其范圍為0-55毫米；齒輪(6)的每齒運動距離為1mm。
4)磁致位移傳感器的金屬外層進行保溫涂層(15)，其厚度所引起的位移計精度降低不超過1mm；另一根支撐桿(11)用有機玻璃材料制成，以防氣溫通過支撐桿對冰、雪生消速率的影響；支撐桿(11)也可用其它低導熱非金屬材料制成。
5)將探球(2)、(3)通過無伸縮繩索(7)同旋轉(zhuǎn)輪(8)連接；探球上安裝滑塊(9)和接觸探測板(10)，并沿1根支撐桿(11)和1支磁致位移傳感器(13)運動，以防止冰、雪表面刮風和冰底面水流對探測板垂直運動的影響。
6)探測板(10)接觸到冰、雪(12)界面時，反向運動到參考點位置，等待下一次動作指令，以防止探測板同冰、雪界面發(fā)生凍結(jié)；探測板在冰、雪界面的停留時間設(shè)置在0-10秒間選擇；探測板動作時間間隔設(shè)置在0-60分鐘之間選擇。
7)冰、雪表面和底面設(shè)備相對安裝，同時相向運動，兩設(shè)備在平面上相差距離30-60厘米。
8)選用防水、防潮、耐低溫直流電機、控制儀表和單片機，以方便在現(xiàn)場風雪、潮濕和低溫條件正常工作。
9)用12V蓄電池供電，單板機指令在探測動作開始前3秒打開電源，探測動作結(jié)束后6秒關(guān)閉電源。
權(quán)利要求
1.接觸式自動測量冰、雪厚度變化過程的方法，用接觸式測量冰、雪厚度變化過程的自動化方法是在冰、雪表面和底面安裝探測板，由探測板從參考點位置到冰、雪界面的距離變化表達冰、雪厚度變化；須選用防水、防潮、耐低溫傳感器、控制儀表和單片機，其特征如下1)將重力探球和浮力探球通過無伸縮繩索同旋轉(zhuǎn)輪連接；探球上安裝滑塊和接觸探測板，沿支撐桿垂直運動；2)探測板接觸到冰、雪界面時，反向運動到參考點位置，等待下一次動作指令；探測板在冰、雪界面的停留時間在0-10秒間選擇；探測板動作時間間隔在0-60分鐘之間選擇；3)冰、雪表面和底面設(shè)備相對安裝，同時相向運動，兩設(shè)備在平面上相差距離30-60厘米；4)用蓄電池供電，探測動作前自動打開電源，探測動作后自動關(guān)閉電源；5)支撐桿用非金屬材料制成，傳感器的金屬材料外層須保溫涂層。
全文摘要
接觸式測量冰、雪厚度變化的自動化方法屬于冰、雪厚度變化監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。其特征是兩個探測板自動定時做垂直相向運動，探測從參考點到冰、雪表面和底面的距離并由這些距離確定冰、雪的厚度變化。測量探測板運動距離的傳感器有二種選擇，一種是轉(zhuǎn)速傳感器，另一種是磁致伸縮位移傳感器。為保證探測板不被凍結(jié)到冰、雪界面上，探測板在界面停留時間為0－10秒，其余時間停留在參考點位置。自動測量的間隔在0－60分鐘之間選擇。用防潮、防水和耐低溫處理設(shè)備，加之探測板沿支撐桿滑動，本發(fā)明的效果是能夠在現(xiàn)場風雪、潮濕、低溫和底面流水以及無動力電源條件下自動準確測量厚度變化，具有攜帶方便、操作簡單，減少體力勞動的優(yōu)點。
文檔編號G01B5/02GK1448689SQ03111668
公開日2003年10月15日 申請日期2003年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月13日
發(fā)明者李志軍, 張占海, 李廣偉, 王永學 申請人:大連理工大學