1 引言 水庫(kù)、河流、湖泊、海洋、冰川等冰層厚度及冰層內(nèi)部生消變化一直是國(guó)內(nèi)外水文、地質(zhì)、氣象、環(huán)境保護(hù)、防汛減災(zāi)與水電工程等多個(gè)科研與工程應(yīng)用領(lǐng)域研究?jī)?nèi)容。北方凌汛威脅黃河流域沿岸人民的生命和各種水電大壩安全，實(shí)現(xiàn)冰凌災(zāi)害的預(yù)報(bào)與防治首先需要解決的問(wèn)題就是掌握河流冰層厚度及冰生消變化的規(guī)律。近年來(lái)全球氣溫升高，極地冰川消融，成為影響人類(lèi)生存環(huán)境的重要岡素，全球氣候變暖引起的人類(lèi)生活環(huán)境的變化與影響已成為21世紀(jì)人類(lèi)最為關(guān)心的問(wèn)題之一。通過(guò)對(duì)南、北極冰川和海冰厚度變化的觀測(cè)，可以為分析全球氣候變化提供最直接的氣象水文資料。 冰層厚度檢測(cè)現(xiàn)有水位測(cè)量法、機(jī)械式冰層厚度檢測(cè)法、利用冰水導(dǎo)電率差異的冰層厚度測(cè)量法、電磁感應(yīng)冰層厚度檢測(cè)法和脈沖雷達(dá)檢測(cè)法。電容式冰層厚傳感器利用冰水電介質(zhì)差異的冰層厚度檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)。 2 空氣、冰與水的電容值隨溫度變化特性 由物理學(xué)可知c=εrs/d，電容量的大小取決于介電常數(shù)εr、極板面積s和極板間的距離d。對(duì)兩極板間距離d與板間面積s固定的電容器，其電容值C隨極板間介質(zhì)的介電常εr數(shù)不同而變化。常溫下，空氣的介電常數(shù)約為1，水的介電常數(shù)為80，而冰的介電常數(shù)為3～4。因此，當(dāng)兩極板間的介質(zhì)分別是空氣、冰和水時(shí)，電容器所反映的電容量各不相同。 由于溫度的改變，介質(zhì)的介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，電容值也會(huì)隨之改變。實(shí)驗(yàn)中作者選用平行板電容器對(duì)空氣、冰和水在11～-20℃進(jìn)行電容值測(cè)量，得到的結(jié)果如圖1所示。對(duì)曲線結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，由于空氣為非極性電介質(zhì)，電容值隨溫度變化數(shù)值變化不大，基本保持在0.2～0.4 nF。水和冰的電容值隨溫度變化較為靈敏。從11～0℃，水的電容在21～34μF單調(diào)減小，在接近零度時(shí)，水開(kāi)始結(jié)冰，因?yàn)樗奈锢硇螒B(tài)由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)的冰，其介電常數(shù)相差很大，電容值會(huì)發(fā)生一階躍跳變，在0～-20℃，冰的電容在5～68 nF單調(diào)減小。 3 冰層厚度檢測(cè)的基本原理 基于對(duì)空氣、冰與水的電容值隨溫度變化特性結(jié)果的分析，我們采用圖2所示檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)冰層厚度與冰下水位的連續(xù)自動(dòng)化檢測(cè)。 在對(duì)河冰或海冰檢測(cè)過(guò)程中，在立體空間環(huán)境中主要涉及三種被檢測(cè)物質(zhì)，即：冰上表面空氣、冰層和冰下水。如果把平行板電容器的極板面積和間距固定，讓極板之間填充被檢測(cè)的介質(zhì)（空氣、冰或水），則平行板電容的電容值就由待測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)εr決定。檢測(cè)時(shí)，將圖2中右邊涉及的平行板電容器與開(kāi)關(guān)電路封裝成一柱狀裝置并垂直放置于待測(cè)點(diǎn)，使電容檢測(cè)裝置的極板間被冰下水、冰層和冰上表面空氣填充，每個(gè)極板與片選開(kāi)關(guān)相連。通過(guò)程序控制，單片機(jī)可以控制片選電路依次選通開(kāi)關(guān)1到開(kāi)關(guān)n。通過(guò)電容/頻率轉(zhuǎn)換電路，將不同垂直高度的平行板電容值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率值。為了消除相對(duì)介電常數(shù)的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在電容檢測(cè)裝置底部設(shè)置了一個(gè)參考極板。參考極板位于水中，與電容/頻率轉(zhuǎn)換電路2相連，其他檢測(cè)極板通過(guò)片選電路，與電容/頻率轉(zhuǎn)換電路1相連。電容/頻率轉(zhuǎn)換電路1，2完全相同。單片機(jī)接收兩路電容/頻率轉(zhuǎn)化電路傳遞過(guò)來(lái)的頻率值。因?yàn)楸退娙萏匦圆顒e很大，所以從不同介質(zhì)傳遞過(guò)來(lái)的頻率值差別也會(huì)很大。以參考極板的頻率值為基準(zhǔn)，檢測(cè)極板的頻率值與其進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)極板與參考極板的頻率值相同或相近時(shí)，認(rèn)為該極板處于水中；否則認(rèn)為極板處于冰中。當(dāng)相鄰極板分別處于冰和水中時(shí)，就確定出冰的下界面，同時(shí)計(jì)算出冰下水的高度。由于空氣的介電常數(shù)基本不受溫度影響，我們可以單獨(dú)量化出空氣的電容范圍，再轉(zhuǎn)化為空氣頻率范圍，并以此來(lái)判斷極板處的介質(zhì)是否為空氣。當(dāng)相鄰極板分別處于冰和空氣，確定冰的上界面。根據(jù)冰層上、下界面，就可以計(jì)算出冰層厚度。 4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論 選用一種平行板電容式傳感器并按照上述思路進(jìn)行冰厚測(cè)量實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。平行板極板為長(zhǎng)1 cm、寬3 cm的長(zhǎng)方形覆銅板，兩個(gè)極板間隔為1 mm。極板分布在固定框架的兩側(cè)，其中一側(cè)極板共極，另一側(cè)極板接入片選電路?；陔娙輽z測(cè)的原理，整個(gè)電極并不需要和介質(zhì)直接接觸。整個(gè)傳感器是封閉的，極板及其導(dǎo)線都密封在固定框架中。電容/頻率轉(zhuǎn)換電路采用RC多諧振蕩電路。MSP430單片機(jī)控制片選路，分別對(duì)模擬冰水下界面和冰空氣上界面兩種情況進(jìn)行了測(cè)試。在下界面測(cè)試中，冰的頻率值為2.7 MHz，水的頻率值為35 Hz。在上界面測(cè)試中，冰的頻率值為2.7 MHz，空氣的頻率值為4 MHz,如圖4～6所示。