基于空气、冰与水相对介电常数差异的电容感应式冰厚传感器

　　基于空气、冰与水的物理特性差异实现冰生消过程的实时检测是一种新的冰情检测方法，基于这一思路，本文介绍了电容感应式冰层厚度传感器结构，并将研制成功的电容感应式冰层厚度传感器在黄河内蒙河道进行了冰层厚度连续监测应用试验，结果验证了利用电容感应技术测量冰层厚度方法的可行性。新型传感器具有结构简单，灵敏度高等特点，可以应用于冬季结冰河道冰层厚度及冰下水位的连续自动监测。

　　对海冰、内陆河流河道、湖泊、水库等冰生消过程连续在线检测是南北极科考、高寒区水工设施防冰凌灾害与设计、环境监测、气象、水文信息测报等领域急需的应用技术。利用卫星遥感、雷达、声纳等方法可实现大面积海冰冰厚的测量，缺点是准确性差、精度低。光纤式结冰传感器常用于飞机机翼冰厚的测量，虽然检测精度高，但是对被测物的防震功能有很高要求。依据冰模型进行冰厚预测的方法需依据历史水文资料建立模型计算得出，并受到实时的水文、气象等诸多条件的影响，其准确性和精度往往在事后才能得到证实。以上这些冰情检测方法各有优缺点，但它们存在的一个共同缺陷是无法实现冰层内部物理状态的完整连续检测。文献中提到利用空气、冰与水物理特性差异的冰情检测原理来实现冰生消过程连续在线检测的新思路。基于这一思路，本文介绍了一种利用空气、冰、水介电特性差异进行冰层厚度检测的新型电容感应式冰厚传感器结构，对其检测原理进行了介绍，在此基础上利用研制成功的电容感应式冰厚传感器在黄河内蒙头道拐河道进行了工程现场应用试验。

1、冰情检测原理及传感器结构

　　由文献可知，为了获取冰与冰层下水体内部的物理形态，我们根据空气、冰与水的相关物理参数( 可以是等效电阻，等效电容，介电常数，温度等) 取值范围具有较大差异的特点，可将河冰或海冰生消过程检测点的垂直立体空间划分为三个不同的区域。即： 冰( 或水) 面上空气层、冰层和冰下水体层三个不同检测区间，通过一定电路手段分层检测其相应的物理参数值，就可以通过获取的相关物理参数值与实验室内已知被测介质物理参数标定取值范围对比，判定每一水平高度平面被测介质处于何种物理形态( 空气，固态冰，还是液态水) ，进而可以进一步确定冰层的厚度与冰下水位的高度，这一检测原理即称为基于空气、冰、水电物理特性差异进行冰层厚度检测的原理。图1 是典型的基于空气、冰与水电阻特性差异进行冰层厚度检测的原理图。

图1 基于空气、冰与水电阻特性差异冰层厚度检测原理

　　图1 中，左边虚线框所示为分层检测三个被测区域内介质等效电阻的多组检测触点，右边虚线框为以单片机为核心构成的信号检测处理电路。检测过程中，各水平高度平面对应的触点可编程逻辑器件CPLD 构成的译码电路依次选通，检测触点之间的被测介质等效电阻Ri与标准分压电阻R0串联形成电阻分压电路，单片机通过采集分压电阻R0上的电压值可以计算出检测触点水平层面被测介质等效电阻对应的分压值，根据串联电路分压原理可得到被测介质等效电阻Ri的值为：

　　将计算获得的等效电阻值与实验室内已知被测介质物理参数标定取值范围对比，即可判定每一垂直高度平面被测介质处于何种物理形态。

结束语

　　通过对实验结果分析，可看出在冰层、水层与空气层三种不同介质中的电极电压分量都有较明显的变化，可以很方便的分辨出各电极周围所存在的介质层，达到区分空气、冰与水的目的。因此，电容感应式冰层厚度传感器检测方法是可行的。该传感器具有结构简单、精度高、安装方便的优点，非常适合野外无人自动化检测。