專利名稱：一種極地海冰冰裂縫寬度自動化測量裝置及測量方法
技術領域：
本發(fā)明ー種極地海冰冰裂縫寬度自動化測量裝置及測量方法，屬于自動化檢測計量技術領域，主要應用在極地海冰自動化監(jiān)測領域。
背景技術：
極地海冰冰裂縫是海冰在生長變化過程中，由于海水潮汐的潮漲潮落和海冰內(nèi)部的熱力作用而導致海冰產(chǎn)生裂縫。隨著時間的推移，其寬度一般都是越來越大。在南北扱， 風雪較大，冰裂縫常常被厚厚的積雪蓋住，導致衛(wèi)星照片和目測均很難發(fā)現(xiàn)冰裂縫并對其寬度做出判斷。在世界各國對極地進行的考察活動中，都需要利用雪地車在海冰上運輸物資，而冰裂縫就是海冰上運輸車輛和駕駛?cè)藛T的最大危險。中國南極考察27年來，很多年都是在海冰上用雪地車運送物資，曾因為冰裂縫而出現(xiàn)了多次險情。俄羅斯考察隊2008 年在南極普里滋彎的海冰上運輸物資時，出現(xiàn)了連人帶車從冰裂縫掉入海底的車毀人亡事故。因此，海冰冰裂縫寬度的自動化實時監(jiān)測對極地考察非常重要，也迫在眉睫。目前，對于海冰冰裂縫的觀測主要依靠衛(wèi)星照片、冰雷達和人工探冰。衛(wèi)星照片由于精度有限，對冰裂縫的位置只能作出大概的判斷，無法對冰裂縫寬度作出測算。冰雷達探測冰裂縫能把誤差降低到厘米級，但其需要車輛拖行，且不能實現(xiàn)實時監(jiān)測。人工探冰就是依靠人在冰面上行走，邊走邊用雪鎬等工具探測冰裂縫，發(fā)現(xiàn)冰裂縫后，依靠人工進行測量。該測量方法原始可靠，但無法實現(xiàn)冰裂縫寬度變化的實時檢測，且對測量人員來說比較危險，隨時有掉入冰裂縫的危險。因此，尋求ー種能對海冰冰裂縫進行自動化實時測量的設備尤為重要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為一種極地海冰冰裂縫寬度自動化測量裝置及測量方法，其目的是提供一種極地海冰冰裂縫寬度實時自動化測量方法，解決極地考察活動中海冰冰上運輸工作時海冰裂縫造成的生命財產(chǎn)損失問題。包括電容式冰裂縫檢測傳感器、固定彈簧支架、測量儀表、緊固件、天線等部分組成。該發(fā)明利用電容式冰裂縫檢測傳感器測量冰裂縫寬度的變化，利用銥星通訊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，實現(xiàn)了極地海冰冰裂縫寬度的遠程無線自動化測量方法?？朔爽F(xiàn)有海冰冰裂縫測量技術中誤差大，非實時性問題，從而公開ー種主要應用在極地考察領域的自動化動態(tài)海冰冰裂縫寬度的測量裝置及測量方法。本發(fā)明ー種極地海冰冰裂縫寬度測量裝置，其特征在于整套裝置主要由電容式冰裂縫檢測傳感器I、固定彈簧支架2、測量儀表3 (見附圖2)、緊固件4、蓄電池5、天線6、電源導線7組成(見附圖I )，其中電容式冰裂縫檢測傳感器I是由三個電容式冰厚測量傳感器構成ー個三棱錐體型的主體，每個電容式冰厚測量傳感器的長度根據(jù)冰裂縫的初始寬度來選擇在1-2米之間，該傳感器內(nèi)部均勻設置有電容電極板15，連接導線16，每根傳感器內(nèi)部還設置有非金屬玻璃棒，用于加固傳感器，然后用絕緣環(huán)氧樹脂材料17將上述材料密封在一根棒子內(nèi)；固定彈簧支架2是三個直徑為5cm的硬質(zhì)鋼性彈簧首尾焊接在一起構成ー個正三角形平面支架，三個角上分別固定每個電容式冰厚測量傳感器的一端，其作用是一方面起到對每根電容式冰厚測量傳感器的固定作用，另ー個作用是當三棱錐型電容式冰裂縫檢測傳感器I整體受到海冰擠壓時，彈簧的弾性可以起到保護傳感器的作用；測量儀表3主要由微處理器8、運算器9、控制器10、GPS定位模塊11、存儲器12、銥星通訊模塊13、電容式冰裂縫檢測傳感器14組成，微處理器8是測量儀表的核心，它控制電容式冰裂縫檢測傳感器并讀取其測量數(shù)據(jù)，它還對存儲器12、GPS控制定位模塊11、銥星通訊模塊13進行控制， 存儲器12主要作用是存儲電容式冰裂縫檢測傳感器的數(shù)據(jù)，GPS定位模塊11主要作用是對整套測量裝置的安裝地點以及隨著海冰漂移后的位置進行定位，銥星通訊模塊13與控制器10相連，作用是把檢測傳感器測量到的冰裂縫數(shù)據(jù)以及GPS定位數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳輸?shù)絿鴥?nèi)的監(jiān)測中心；緊固件4是ー塊直徑IOcm長度5cm重約6公斤的不銹鋼質(zhì)圓柱體,該圓柱體的上表面上設置三個緊固電容式冰厚傳感器的接頭，將三個電容式冰厚傳感器的另ー 端緊固在一起，該緊固件4的另ー個作用是，其重力的作用使得整套三棱錐型的檢測傳感器與冰面保持垂直直立；蓄電池5是采用在低溫-40°C下為整個測量裝置正常工作供電400 多天的低溫鉛酸電池，12V電壓，30AH，且該電池用環(huán)氧樹脂進行密封，保持電池干燥；天線 6是采用BDS9602銥星自備的GPS天線和數(shù)據(jù)傳輸天線；電源導線7是采用三芯塑料外皮導線。上述一種極地海冰冰裂縫寬度測量裝置，其特征在于是所述的電容式冰裂縫檢測傳感器I不但能進行冰厚測量，還能進行水位的測量。上述一種極地海冰冰裂縫寬度測量裝置，其特征在于是所述的微處理器和存儲器、GPS模塊、銥星通訊模塊是集成到一個電路板上，并用ー個金屬外殼封裝，構成測量儀表。上述一種極地海冰冰裂縫寬度自動化測量裝置的測量方法，其特征在于由于冰裂縫間充滿海水，所以該方法是ー種主要通過測量海水淹沒每個電容式冰厚傳感器的深度， 來計算出海冰冰裂縫的寬度的方法，其具體測量步驟如下
步驟ー利用電容式冰裂縫檢測傳感器測量得到每根冰厚測量傳感器被海水淹沒的高度H;
步驟ニ應用微處理器，參見圖4，計算冰裂縫寬度L，利用公式 L = SH mn % ,得到冰裂縫寬度し步驟三定時重復步驟一和步驟ニ，得到毎次的測量計算結果LI，L2，L3……； 步驟四應用微處理器對定時測量計算得到的結果進行存儲；
步驟五應用銥星無線通訊模塊，定期將存儲的數(shù)據(jù)結果和GPS的位置信息發(fā)送到國內(nèi)岸基接收器或船載接收器。上述一種極地海冰冰裂縫寬度測量裝置的測量方法，其特征在于是所述的步驟ニ 中，公式￡ =中的為三根電容式冰厚測量傳感器兩兩之間的夾角。本發(fā)明為一種極地海冰冰裂縫寬度自動化測量裝置及測量方法與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明具有以下特點和有益效果本發(fā)明可快捷的檢測出極地海冰冰裂縫的寬度，并能實
5現(xiàn)自動化實時檢測，數(shù)據(jù)無線遠程傳輸，為冰上運輸車輛的安全及時提供數(shù)據(jù)。本發(fā)明ー種極地海冰冰裂縫寬度自動化測量裝置結構簡單，成本較低，測量準確。所述測量方法步驟簡單，測量結果真實可靠，可應用于極地考察或冬季近海海冰的冰上運輸領域，實現(xiàn)對冰裂縫寬度的自動化監(jiān)測。本發(fā)明在第28次中國南極科學考察中現(xiàn)場應用，實踐證明，本發(fā)明性能可靠，精確度高。
附圖I極地海冰冰裂縫寬度測量裝置的結構及測量示意圖。I.電容式冰裂縫檢測傳感器 2.固定彈簧支架 3.測量儀表 4.緊固件
5.蓄電池6.天線 7 .電源導線。附圖2測量儀表的模塊組成示意圖。8.微處理器 9.運算器 10.控制器11. GPS定位模塊 12.存儲器 13.銥星通訊模塊 14.電容式冰裂縫檢測傳感器。附圖3電容式冰厚測量傳感器的結構示意圖。15.電容極板 16.連接導線 17.絕緣環(huán)氧樹脂材料 18.海水 19.海冰。
附圖4冰裂縫寬度計算方法示意圖。
具體實施例方式實施方式I :
I.極地海冰冰裂縫寬度測量裝置
本發(fā)明的極地海冰冰裂縫寬度測量裝置由電容式冰裂縫檢測傳感器I、固定彈簧支架2、測量儀表3 (見附圖2)、緊固件4、蓄電池5、天線6、電源導線7等部分組成(見附圖 I)。電容式冰裂縫檢測傳感器I是由三個電容式冰厚測量傳感器按照一定的角度構成ー個的三棱錐體型傳感器。固定彈簧支架2由三個直徑為5cm的硬質(zhì)鋼性彈簧首尾焊接在一起構成，形成ー個正三角形平面支架。三角形支架的三個角上分別固定每根電容式冰厚測量傳感器的一端。其作用是ー方面起到對每根電容式冰厚測量傳感器的固定作用，另ー方面是當三棱錐型電容式冰裂縫檢測傳感器I整體受到海冰擠壓時，彈簧的弾性可以起到保護傳感器的作用。測量儀表3由微處理器8、運算器9、控制器10、GPS定位模塊11、存儲器12、 銥星通訊模塊13、電容式冰裂縫檢測傳感器14等組成。微處理器8是測量儀表的核心，它控制電容式冰裂縫檢測傳感器14并讀取其測量數(shù)據(jù)，它還對存儲器12、GPS定位模塊11、 銥星通訊模塊13等進行控制。存儲器12主要作用是存儲電容式冰裂縫檢測傳感器14的數(shù)據(jù)。GPS定位模塊11主要作用是對整套測量裝置的安裝地點以及隨著海冰漂移后的位置進行定位。銥星通訊模塊13與控制器10相連，作用是把電容式冰裂縫檢測傳感器14測量到的冰裂縫數(shù)據(jù)以及GPS定位模塊11獲取的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳輸?shù)絿鴥?nèi)的監(jiān)測中心。緊固件4是ー塊直徑IOcm長度5cm的不銹鋼質(zhì)的圓柱體,該圓柱體的上表面上設置三個緊固電容式冰厚傳感器另一端的接頭，將三個電容式冰厚傳感器的另一端緊固在一起。該緊固件4的另ー個作用是其重6公斤，其重力的作用可以使得整套三棱錐型的檢測傳感器與冰面保持垂直直立。蓄電池5采用低溫鉛酸電池，12V電壓，30AH，可以在低溫40°C下為整個測量裝置正常工作供電400多天。天線6采用BDS9602銥星自備的GPS天線和數(shù)據(jù)傳輸天線。電源導線7是ー根三芯塑料外皮導線。2.測量裝置的安裝
整套極地海冰冰裂縫寬度測量裝置在安裝前首先要選定合適的冰裂縫觀測點。由于冰裂縫在生長發(fā)育過程中總是逐漸變寬的趨勢，初始最寬的裂縫也會一直保持最寬，所以，對觀測點的選擇條件是選擇整條冰裂縫中實際初始寬度最寬的地方。安裝示意圖附如圖I所示，將整套測量裝置以緊固件4為底部使三棱錐體垂直卡在冰裂縫兩邊的冰上，確保三棱錐體的三個彈簧支架2構成的平面與冰表面平行。將蓄電池5在安裝地點挖ー個雪坑用雪掩埋。3.極地海冰冰裂縫寬度測量方法
參見附圖I。極地海冰冰裂縫寬度自動化測量裝置的測量方法步驟如下
步驟ー利用電容式冰裂縫檢測傳感器測量得到每根冰厚測量傳感器被海水淹沒的高度H。步驟ニ 應用微處理器，參見附圖4，計算冰裂縫寬度L,利用公式乙=-、/,
得到冰裂縫寬度L，a為三根電容式冰厚測量傳感器兩兩之間的夾角。步驟三定時重復步驟一和步驟ニ，得到毎次的測量計算結果LI，L2，L3……。步驟四應用微處理器對定時測量計算得到的結果進行存儲。步驟五應用銥星無線通訊模塊，定期將存儲的數(shù)據(jù)結果和GPS的位置信息發(fā)送到國內(nèi)岸基接收器或船載接收器。實施方式2
電容式冰裂縫檢測傳感器I其結構(見附圖3)由三個電容式冰厚測量傳感器按照一定的角度構成ー個三棱錐體型傳感器。每個電容式冰厚測量傳感器內(nèi)部除均勻設置有電容極板15タト，還有連接導線16，用于三個傳感器的連接，每根傳感器內(nèi)部還設置有非金屬玻璃棒，用于加固傳感器，然后用絕緣環(huán)氧樹脂材料17將上述材料密封在一根棒子內(nèi)。其它同實施方式I。實施方式3
緊固件4的另ー個作用是其重6公斤，其重力的作用可以使得整套三棱錐型的檢測傳感器與冰面保持垂直直立，其它同實施方式I。
權利要求
1.一種極地海冰冰裂縫寬度測量裝置，其特征在于整套裝置主要由電容式冰裂縫檢測傳感器(I)、固定彈簧支架(2)、測量儀表(3)、緊固件(4)、蓄電池(5)、天線(6)和電源導線(7)組成，其中電容式冰裂縫檢測傳感器(I)是由三個電容式冰厚測量傳感器構成ー個三棱錐體型的主體，每個電容式冰厚測量傳感器的長度根據(jù)冰裂縫的初始寬度來選擇在1-2 米之間，該傳感器內(nèi)部均勻設置有電容電極板(15)，連接導線(16)，每根傳感器內(nèi)部還設置有非金屬玻璃棒，用于加固傳感器，然后用絕緣環(huán)氧樹脂材料(17)將上述材料密封在一根棒子內(nèi)；固定彈簧支架(2)是三個直徑為5cm的硬質(zhì)鋼性彈簧首尾焊接在一起構成ー個正三角形平面支架，三個角上分別固定每個電容式冰厚測量傳感器的一端，其作用是一方面起到對每根電容式冰厚測量傳感器的固定作用，另ー個作用是當三棱錐型電容式冰裂縫檢測傳感器(I)整體受到海冰擠壓時，彈簧的弾性可以起到保護傳感器的作用；測量儀表(3)主要由微處理器(8)、運算器(9)、控制器(10)、GPS定位模塊(11)、存儲器(12)、銥星通訊模塊(13)、電容式冰裂縫檢測傳感器14組成，微處理器(8)是測量儀表的核心，它控制電容式冰裂縫檢測傳感器(I)并讀取其測量數(shù)據(jù)，它還對存儲器、GPS控制定位模塊、銥星通訊模塊進行控制，存儲器主要作用是存儲電容式冰裂縫檢測傳感器的數(shù)據(jù)，GPS定位模塊(11)主要作用是對整套測量裝置的安裝地點以及隨著海冰漂移后的位置進行定位，銥星通訊模塊(13)與控制器(10)相連，作用是把檢測傳感器測量到的冰裂縫數(shù)據(jù)以及GPS定位數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳輸?shù)絿鴥?nèi)的監(jiān)測中心；緊固件(4)是ー塊直徑IOcm長度5cm重6公斤的不銹鋼質(zhì)圓柱體，該圓柱體的上表面上設置三個緊固電容式冰厚傳感器的接頭，將三個電容式冰厚傳感器的另一端緊固在一起，該緊固件(4)的另ー個作用是，其重力的作用使得整套三棱錐型的檢測傳感器與冰面保持垂直直立；蓄電池(5)是采用在低溫-40°C下為整個測量裝置正常工作供電400多天的低溫鉛酸電池，12V電壓，30AH，且該電池用環(huán)氧樹脂進行密封，保持電池干燥；天線(6)是采用BDS9602銥星自備的GPS天線和數(shù)據(jù)傳輸天線；電源導線(7)是采用三芯塑料外皮導線。
2.按照權利要求I所述ー種極地海冰冰裂縫寬度測量裝置，其特征在于是所述的電容式冰裂縫檢測傳感器(I)不但能進行冰厚測量，還能進行水位的測量。
3.按照權利要求I所述ー種極地海冰冰裂縫寬度測量裝置，其特征在于是所述的微處理器⑶和存儲器(12)、GPS定位模塊(11)、銥星通訊模塊(13)是集成到一個電路板上， 并用ー個金屬外殼封裝，構成測量儀表。
4.權利要求I所述ー種極地海冰冰裂縫寬度自動化測量裝置的測量方法，其特征在于由于冰裂縫間充滿海水，所以該方法是ー種主要通過測量海水淹沒每個電容式冰厚傳感器的深度，來計算出海冰冰裂縫的寬度的方法，其具體測量步驟如下步驟ー利用電容式冰裂縫檢測傳感器測量得到每根冰厚測量傳感器被海水淹沒的高度H;步驟ニ 應用微處理器，計算冰裂縫寬度L，利用公式Z =,得到冰裂縫寬度L ；步驟三定時重復步驟一和步驟ニ，得到毎次的測量計算結果LI，L2，L3……；步驟四應用微處理器對定時測量計算得到的結果進行存儲；步驟五應用銥星無線通訊模塊，定期將存儲的數(shù)據(jù)結果和GPS的位置信息發(fā)送到國內(nèi)岸基接收器或船載接收器。
5.按照權利要求4所述ー種極地海冰冰裂縫寬度測量裝置的測量方法，其特征在于是所述的步驟ニ中，公式L =ぶ的為三根電容式冰厚測量傳感器兩兩之間的夾角。
全文摘要
一種極地海冰冰裂縫寬度自動化測量裝置及測量方法，其目的是提供一種極地海冰冰裂縫寬度實時自動化測量方法，解決極地考察活動中海冰冰上運輸工作時海冰裂縫造成的生命財產(chǎn)損失問題。該裝置包括電容式冰裂縫檢測傳感器、固定彈簧支架、測量儀表、緊固件、天線等部分。該發(fā)明利用電容式冰裂縫檢測傳感器測量冰裂縫之間海水淹沒電容式冰厚傳感器的高度來計算冰裂縫寬度，利用銥星通訊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，實現(xiàn)了極地海冰冰裂縫寬度的遠程無線自動化測量方法,克服了現(xiàn)有海冰冰裂縫測量技術中誤差大，非實時性問題，從而公開一種主要應用在極地考察領域的自動化動態(tài)海冰冰裂縫寬度的測量裝置及測量方法。
文檔編號G01B7/02GK102607390SQ20121004674
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權日2012年2月28日
發(fā)明者孫波, 常曉敏, 王宇暉, 竇銀科 申請人:太原理工大學