基于被测介质物理特性差异的R-T-O冰雪情检测传感器及其系统的设计与应用

发布时间：2017-08-30 02:14

  本文关键词：基于被测介质物理特性差异的R-T-O冰雪情检测传感器及其系统的设计与应用

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【摘要】：冰冻现象及其伴生的有关冰凌灾害,经常发生于我国北方黄河、黑龙江流域中上游地区,是我国特有的重大自然灾害之一,对沿河流域广大地区的人民生命及国家财产安全造成极大的威胁。为了有效预防冰凌灾害的发生,需要掌握内陆河流冰、雪生消过程中详实的科学数据,包括冰层厚度、积雪深度、冰雪层内部的温度分布、应力变化等。而研制极低温(低于-30°C)环境下同时实现对冰、雪生消变化过程连续自动监测的新设备是该领域一项亟需解决的工程应用难题。在国家自然科学基金面上项目(51279122)资助下,本研究融合了基于冰、雪与水的物理特性差异的冰雪情检测方法,实现了对冰层内部等效电阻(R)、冰层垂直温度梯度(T)、雪层光电特性(O)的同步检测,并根据野外冰雪情观测中对检测设备的特殊要求,自行研制了“R-T-O冰雪情自动检测系统”,该系统可实现对无人值守的河道观测点冰情、雪情数据的自动获取与处理。通过与黑龙江省大兴安岭水文局、中国水利水电科学研究院的科研人员合作,新研制的R-T-O冰雪情自动检测系统分别于2014年12月~2015年4月、2016年1月~2016年3月在黑龙江漠河河道进行冰情、雪情的连续监测,首次通过自动检测设备获得了完整的黑龙江上游地区河道断面冰雪情现场观测数据,包括冰厚、雪深、温度梯度,并完成了对冰雪情数据的分析工作。研究内容及研究结果概括如下:(1)通过查阅文献资料了解国内外冰雪检测理论,确定本课题研究内容,掌握了基于不同介质层物理特性差异进行冰雪情检测的原理。通过模拟实验,研究不同介质层的被测物理量数值变化规律。实验结果表明,不同介质层(冰、雪、水)的物理参数测量值存在较大区别,可通过该物理量的测量值范围判断检测区间位于何种介质层中,以达到判别冰层厚度、冰上积雪深度的目的。(2)根据不同介质层物理参数的数值变化范围所表现出的差异完成了传感器的结构设计工作,研制出试验传感器。利用课题前期所研制的试验传感器于2014年12月~2015年4月在漠河河道现场进行了性能测试以及数据采集工作。结合安装调试经验以及传感器实测数据的特点,本研究主要对r-t-o传感器结构进行优化设计,使其更符合实际工程要求:1)选用mc901浇筑尼龙作为新式传感器外壳的材料,减轻了传感器重量,增加了传感器抗冰挤压的能力;2)增加了r-t-o冰雪情检测传感器的级联功能;3)使用fpc技术改进r-t-o冰雪情检测传感器中温度检测部分的硬件形态,降低了传感器本身结构对检测结果的影响;4)以pt100为测温元件,提出并设计了多点温度采集系统,并对多点温度采集系统进行了温度标定实验,提高了温度测量精度;5)通过r-t-o冰雪情自动检测系统采集的积雪数据与人工实测数据对比,总结出对射式积雪深度检测部分的结构缺陷,提出采用反射式结构设计代替对射式结构,以保证数据的真实性、准确性。(3)结合r-t-o冰雪检测传感器的特殊应用场合以及数据采集、传输的基本过程,提出r-t-o冰雪情检测系统的整体设计方案,包括数据采集电路、数据传输电路、供电系统、保温系统等部分的设计,并且编制了配套的软件程序,完成系统硬件与软件程序的联合调试。(4)完成了R-T-O冰雪情自动检测系统在黑龙江漠河河道现场进行的试验任务,获得了丰富的冰雪情数据。首先,分析了2016年漠河下游河道冰层生长期至封冻期(最大冰层厚度保持期)的冰厚以及近冰面温度变化情况,验证了R-T-O检测理论的可行性以及传感器的稳定性。通过绘制2016年漠河下游观测点冰层、雪层的温度梯度数据的温度轮廓线,总结出河水、冰层、积雪、空气的不同温度特征以及积雪层内部结构变化的规律。此外,对2015年漠河冰厚观测中出现的异常现象进行了分析,并综合当地水文预报人员的现场实地勘察,验证了分析结果,再一次证实了设备的可靠性。
【关键词】：物理参数 冰雪情 传感器 自动检测
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P332.8;TP212
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 选题意义及应用背景13-15
• 1.2 国内外冰雪情检测技术研究动态15-17
• 1.2.1 冰情检测技术现状分析15-17
• 1.2.2 雪情检测技术现状分析17
• 1.3 课题主要研究内容及章节安排17-19
• 第二章 基于被测介质物理特性差异的冰雪情检测原理研究19-31
• 2.1 基于空气、冰与水电阻特性差异实现冰情检测的研究19-22
• 2.2 基于空气、冰与水温度特性差异实现冰情检测的研究22-25
• 2.3 基于空气与雪光强衰减特性差异进行雪情检测的研究25-29
• 2.3.1 积雪的光衰减性质25-26
• 2.3.2 利用光强衰减特性实现积雪深度检测的模拟实验研究26-29
• 2.4 R-T-O冰雪情检测方法29
• 2.5 本章小结29-31
• 第三章 R-T-O冰雪情检测传感器的设计及优化31-47
• 3.1 R-T-O冰雪情检测传感器31-33
• 3.2 R-T-O冰雪情检测传感器冰、水检测部分33-36
• 3.2.1 R-T-O冰雪情检测传感器级联功能的设计35-36
• 3.3 R-T-O冰雪情检测传感器温度梯度检测部分36-43
• 3.3.1 DS18B20温度梯度检测36-38
• 3.3.2 Pt100温度梯度检测38-42
• 3.3.3 DS18B20温度梯度检测传感器结构的优化42-43
• 3.4 R-T-O冰雪情检测传感器积雪深度检测部分43-45
• 3.4.1 对射式积雪深度检测结构43-45
• 3.4.2 反射式积雪深度检测结构的设计45
• 3.5 本章小结45-47
• 第四章 R-T-O冰雪情自动检测系统硬件设计47-61
• 4.1 系统整体结构设计47-49
• 4.2 数据采集系统49-55
• 4.2.1 微控制器电路49-50
• 4.2.2 系统时钟电路50
• 4.2.3 模数转换电路50-51
• 4.2.4 数据存储电路51-52
• 4.2.5 逻辑译码电路52-53
• 4.2.6 多路开关电路53-54
• 4.2.7 串口通讯电路54-55
• 4.2.8 系统复位电路55
• 4.3 数据传输电路设计与模块选型55-58
• 4.3.1 远程传输方式的选择55-57
• 4.3.2 数据传输电路57-58
• 4.4 系统供电系统58-59
• 4.4.1 供电方式的选择58-59
• 4.4.2 系统电源电路59
• 4.5 本章小结59-61
• 第五章 R-T-O冰雪情自动检测系统软件设计61-73
• 5.1 系统程序开发环境61-62
• 5.1.1 IAR与Quartus II介绍61
• 5.1.2 开发语言介绍61-62
• 5.2 系统程序设计62-68
• 5.2.1 主程序设计62-64
• 5.2.2 电压采集程序设计64-65
• 5.2.3 温度采集程序设计65
• 5.2.4 数据存储程序设计65-67
• 5.2.5 数据传输程序设计67-68
• 5.3 上位机程序设计68-70
• 5.3.1 开发环境介绍68-69
• 5.3.2 上位机功能介绍69-70
• 5.4 手持终端调试APP70
• 5.5 本章小结70-73
• 第六章 R-T-O冰雪情自动检测系统现场试验及数据分析73-87
• 6.1 R-T-O冰雪情检测设备在黑龙江漠河河道现场安装及调试情况73-78
• 6.2 漠河河道下游冰雪情监测数据分析78-84
• 6.2.1 河道冰情监测现场数据分析78-79
• 6.2.2 2015年漠河河道冰层厚度异常生长及原因分析79-80
• 6.2.3 河道下游冰上积雪深度数据分析80-82
• 6.2.4 河道下游冰层温度梯度监测现场数据分析82-84
• 6.3 本章小结84-87
• 第七章 总结与展望87-91
• 7.1 总结87-88
• 7.2 展望88-91
• 参考文献91-95
• 致谢95-97
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖情况97-99
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目99

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