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1、基于弹性定律的冰厚测量方案1. 引言首先介绍一下当今国内技术比较成熟而且开始应用的几种测冰厚 方案。一直以来，冰厚都被认为是海冰或淡水冰最难监测的物理指标 之一。钻孔测量是测量冰厚最可靠的监测手段，但其低效性难以满 足定点冰厚连续观测的需要。目前国内外已发展了多种自动化冰厚 观测技术，其中卫星遥感、雷达探测、电磁感应和激光测距技术的 组合、舰载声纳等设备，实现了中、大尺度的海冰厚度探测。这些 探测设备的广泛应用，为掌握大范围海冰厚度分布状况及其年际变 化特征提供了可能。另外，系泊声纳和超声探测技术的应用实现了 定点冰厚变化的自动化监测。但其观测精度易受观测环境和冰自身 物理性质的影响，在辽东湾
2、海上平台应用的系泊声纳和在北极冰浮 标应用的超声探测技术报道的测量精度均为 1 cm ，不能达到毫米 级，制约海冰热力学模式向精细发展。进行河道、湖泊以及水库冰 厚观测时希望能同时监测其冰下水位，传统设备难以实现。对于为 工程设计开展的海冰或淡水冰调查，以及极地断面冰厚的连续监测 来说，往往需要在不同位置布置多个测点，一般不需要高频率的测 量，所以有必要考虑设备简单、廉价，测试方便，数据可靠的技术 方法。因此，发展能满足不同需要的定点冰厚观测新技术十分必要。1.1 基于磁致伸缩原理的冰厚测量仪如图 1 所示，冰厚测量仪由仪器箱和测量杆两部分组成。测量杆 上有一个固定磁环和两个可活动磁环，测量过
3、程通过控制可活动磁 环的运动来完成。测量时，下磁环在重力的作用下向下运动，并放 置在冰雪面上；下磁环的运动通过气动方式来控制，当仪器箱内的 气缸在减速电机的驱动下压缩空气时，下磁环机构内气囊膨胀，下磁环机构浮起，与冰底面接触。这时，利用磁致伸缩传感器探测固 定磁环与上磁环的距离以及固定磁环与下磁环的距离，与初值比较， 得到当前冰屑表面和冰底面的位置。测量完毕后，为避免上磁环被 雪覆盖和下磁环被冻结在冰底面，上磁环在卷扬机牵引力的作用下 向上运动，并同时释力，气囊缩回，下磁环沉下。仪器分辨率为士0. 01 cm，在实验室对稳定目标的检测精度为士 0. 1cm，低温工作nan圈1 + MD1.原理
4、的冰厚测甜仪示意圈Fig. I Coctfijurshdrt sketch the tipp&mtus for tnortiE坷 ice环境可达一 55度。tfcbdknrw bawd i MDL1.2电阻式冰厚测量仪导电特性是冰和水基本物理特性之一。包含有导电离子的自然 水在常温下是导电的。实验证明随着温度的降低水的电阻值会逐渐 升高，其电阻值在几十至几百 kQ范围变化。达到冰冻状态后电阻 值在几MD至几百MQ范围变化，冰具有弱电特性，被看作电阻值 较大的弱导体，空气则被看作绝缘体16。根据气/冰/水不同的 导电特性，设计了一种电阻式冰厚测量仪，测量仪工作原理如图3所示，在测量杆垂向每隔1
5、cm布置一对水平距离2 cm的触点对， 工作时首先在单片机的程序指令控制下由电压信号发送电路向被测 介质中施加一固定的直流电压信号，电压信号便通过触点对之间的 气、冰或水介质，再经电压信号处理电路送回单片机形成被测介质nftffKfS-ifttgylxlaj-住歌壹宴衍时小y50190 閒 200 工卑i( i I.七Ld山 i h|imi|分Ik分JE 4 &甘压井压 tfi囲4环境沮度和甘压H歧变化Fig-4 VariMjunR in dninrtaiKr knfeiMuve ad vdXA/p pstfilr电阻值检测电路。由于气、冰或水介质的随机等效电阻不同，经单 片机对触点对负载电压
6、值的分析处理后，可判断出各个触点对处冰 上空气、冰层还是冰下水体内，从而达到了测量冰厚的目的。fflj电肛武沐犀爾仪厢理n玛 J PtiiH-ipUr abptch al the afjpsMie G avtuikn 心 dtickjiw bwd on PFwrtanoe1.3电容式测量（原理基本同电阻式，暂不做介绍）特点分析：基于 MDL原理的冰厚测量仪现场测量精度为士 2 him， 达毫米级，实现了自动获取定点冰厚变化高精度数据的需要，该技 术解决了制约海冰热力学模式向精细发展的“瓶颈”问题。但是该 技术对机械构造的要求特别高，容易出现机械故障。电阻式冰厚测 量仪目前尚处于探索研究阶段，其
7、界面分辨精度为士 3 cm，气/冰 界面受结霜影响会出现异常分压现象，冰底面新生冰晶对界面判断 也会产生一定的影响。这表明该技术还需要深入研究，并加以改进 和完善。电阻式冰厚测量仪目前尚处于探索研究阶段，其界面分辨 精度为3 cm，气/冰界面受结霜影响会出现异常分压现象，冰底 面新生冰晶对界面判断也会产生一定的影响。这表明该技术还需要 深入研究，并加以改进和完善。而且对气/冰/水的垂直分界比例的 描述线需要进一步的探究与分析。2.弹性原理测冰厚实现方案利用f=k*x ,设定规定的长度，然后拉升弹性绳到冰面的两层， 此时在上下冰面设置一回旋铁片，并且与冰面紧密接触，这时利用拉力传感器测量拉力值f
8、传送到单片机中，又已知弹性系数k，可求得x=x1-xO即为所求得的值。具体流程框图:方案重点环节：1.冰的厚度改变时如何解决？我们将采取分时段多次测量方案，不仅仅是将铁片放置冰底后不 再变化，而是根据时段多次测量（小于冰的变化时间）。这样也可 防止装置被冻在冰中。2.如何收回铁片我们将把测量装置安装在一半封闭管道内，通过管道插入冰中后 再安装装置，将在管道内设置一些接口，利用这些接口实现铁片的 回收。3.弹性绳的选取设计要求的弹性绳必须能够承受超低温的环境，而且弹性系数稳 定，恢复性良好等功能，我们决定采用 tpv 材质。方案特点：目前国内大多数的测冰厚方案就是电容电阻这几种，而且都是太 原理工做的，而基本没有其他的做法。利用弹性原理还没有人做过， 也算具有一定的独创性吧。方案原理非常简单，操作也容易实现， 制作成本很低，稳定性比其他几种方案要好（毕竟是利用力学原 理）。现在难点就是在一些机械构造的细节处理，要能够应付空气 冰、水等多种复杂环境，需要设计模型图并多次加以改进。
