本文關鍵詞：基于被測介質(zhì)物理特性差異的R-T-O冰雪情檢測傳感器及其系統(tǒng)的設計與應用

  更多相關文章： 物理參數(shù) 冰雪情 傳感器 自動檢測

【摘要】：冰凍現(xiàn)象及其伴生的有關冰凌災害,經(jīng)常發(fā)生于我國北方黃河、黑龍江流域中上游地區(qū),是我國特有的重大自然災害之一,對沿河流域廣大地區(qū)的人民生命及國家財產(chǎn)安全造成極大的威脅。為了有效預防冰凌災害的發(fā)生,需要掌握內(nèi)陸河流冰、雪生消過程中詳實的科學數(shù)據(jù),包括冰層厚度、積雪深度、冰雪層內(nèi)部的溫度分布、應力變化等。而研制極低溫(低于-30°C)環(huán)境下同時實現(xiàn)對冰、雪生消變化過程連續(xù)自動監(jiān)測的新設備是該領域一項亟需解決的工程應用難題。在國家自然科學基金面上項目(51279122)資助下,本研究融合了基于冰、雪與水的物理特性差異的冰雪情檢測方法,實現(xiàn)了對冰層內(nèi)部等效電阻(R)、冰層垂直溫度梯度(T)、雪層光電特性(O)的同步檢測,并根據(jù)野外冰雪情觀測中對檢測設備的特殊要求,自行研制了“R-T-O冰雪情自動檢測系統(tǒng)”,該系統(tǒng)可實現(xiàn)對無人值守的河道觀測點冰情、雪情數(shù)據(jù)的自動獲取與處理。通過與黑龍江省大興安嶺水文局、中國水利水電科學研究院的科研人員合作,新研制的R-T-O冰雪情自動檢測系統(tǒng)分別于2014年12月~2015年4月、2016年1月~2016年3月在黑龍江漠河河道進行冰情、雪情的連續(xù)監(jiān)測,首次通過自動檢測設備獲得了完整的黑龍江上游地區(qū)河道斷面冰雪情現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù),包括冰厚、雪深、溫度梯度,并完成了對冰雪情數(shù)據(jù)的分析工作。研究內(nèi)容及研究結果概括如下:(1)通過查閱文獻資料了解國內(nèi)外冰雪檢測理論,確定本課題研究內(nèi)容,掌握了基于不同介質(zhì)層物理特性差異進行冰雪情檢測的原理。通過模擬實驗,研究不同介質(zhì)層的被測物理量數(shù)值變化規(guī)律。實驗結果表明,不同介質(zhì)層(冰、雪、水)的物理參數(shù)測量值存在較大區(qū)別,可通過該物理量的測量值范圍判斷檢測區(qū)間位于何種介質(zhì)層中,以達到判別冰層厚度、冰上積雪深度的目的。(2)根據(jù)不同介質(zhì)層物理參數(shù)的數(shù)值變化范圍所表現(xiàn)出的差異完成了傳感器的結構設計工作,研制出試驗傳感器。利用課題前期所研制的試驗傳感器于2014年12月~2015年4月在漠河河道現(xiàn)場進行了性能測試以及數(shù)據(jù)采集工作。結合安裝調(diào)試經(jīng)驗以及傳感器實測數(shù)據(jù)的特點,本研究主要對r-t-o傳感器結構進行優(yōu)化設計,使其更符合實際工程要求:1)選用mc901澆筑尼龍作為新式傳感器外殼的材料,減輕了傳感器重量,增加了傳感器抗冰擠壓的能力;2)增加了r-t-o冰雪情檢測傳感器的級聯(lián)功能;3)使用fpc技術改進r-t-o冰雪情檢測傳感器中溫度檢測部分的硬件形態(tài),降低了傳感器本身結構對檢測結果的影響;4)以pt100為測溫元件,提出并設計了多點溫度采集系統(tǒng),并對多點溫度采集系統(tǒng)進行了溫度標定實驗,提高了溫度測量精度;5)通過r-t-o冰雪情自動檢測系統(tǒng)采集的積雪數(shù)據(jù)與人工實測數(shù)據(jù)對比,總結出對射式積雪深度檢測部分的結構缺陷,提出采用反射式結構設計代替對射式結構,以保證數(shù)據(jù)的真實性、準確性。(3)結合r-t-o冰雪檢測傳感器的特殊應用場合以及數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)幕具^程,提出r-t-o冰雪情檢測系統(tǒng)的整體設計方案,包括數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)傳輸電路、供電系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)等部分的設計,并且編制了配套的軟件程序,完成系統(tǒng)硬件與軟件程序的聯(lián)合調(diào)試。(4)完成了R-T-O冰雪情自動檢測系統(tǒng)在黑龍江漠河河道現(xiàn)場進行的試驗任務,獲得了豐富的冰雪情數(shù)據(jù)。首先,分析了2016年漠河下游河道冰層生長期至封凍期(最大冰層厚度保持期)的冰厚以及近冰面溫度變化情況,驗證了R-T-O檢測理論的可行性以及傳感器的穩(wěn)定性。通過繪制2016年漠河下游觀測點冰層、雪層的溫度梯度數(shù)據(jù)的溫度輪廓線,總結出河水、冰層、積雪、空氣的不同溫度特征以及積雪層內(nèi)部結構變化的規(guī)律。此外,對2015年漠河冰厚觀測中出現(xiàn)的異�，F(xiàn)象進行了分析,并綜合當?shù)厮念A報人員的現(xiàn)場實地勘察,驗證了分析結果,再一次證實了設備的可靠性。
【關鍵詞】：物理參數(shù) 冰雪情 傳感器 自動檢測
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P332.8;TP212
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 緒論13-19
• 1.1 選題意義及應用背景13-15
• 1.2 國內(nèi)外冰雪情檢測技術研究動態(tài)15-17
• 1.2.1 冰情檢測技術現(xiàn)狀分析15-17
• 1.2.2 雪情檢測技術現(xiàn)狀分析17
• 1.3 課題主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排17-19
• 第二章 基于被測介質(zhì)物理特性差異的冰雪情檢測原理研究19-31
• 2.1 基于空氣、冰與水電阻特性差異實現(xiàn)冰情檢測的研究19-22
• 2.2 基于空氣、冰與水溫度特性差異實現(xiàn)冰情檢測的研究22-25
• 2.3 基于空氣與雪光強衰減特性差異進行雪情檢測的研究25-29
• 2.3.1 積雪的光衰減性質(zhì)25-26
• 2.3.2 利用光強衰減特性實現(xiàn)積雪深度檢測的模擬實驗研究26-29
• 2.4 R-T-O冰雪情檢測方法29
• 2.5 本章小結29-31
• 第三章 R-T-O冰雪情檢測傳感器的設計及優(yōu)化31-47
• 3.1 R-T-O冰雪情檢測傳感器31-33
• 3.2 R-T-O冰雪情檢測傳感器冰、水檢測部分33-36
• 3.2.1 R-T-O冰雪情檢測傳感器級聯(lián)功能的設計35-36
• 3.3 R-T-O冰雪情檢測傳感器溫度梯度檢測部分36-43
• 3.3.1 DS18B20溫度梯度檢測36-38
• 3.3.2 Pt100溫度梯度檢測38-42
• 3.3.3 DS18B20溫度梯度檢測傳感器結構的優(yōu)化42-43
• 3.4 R-T-O冰雪情檢測傳感器積雪深度檢測部分43-45
• 3.4.1 對射式積雪深度檢測結構43-45
• 3.4.2 反射式積雪深度檢測結構的設計45
• 3.5 本章小結45-47
• 第四章 R-T-O冰雪情自動檢測系統(tǒng)硬件設計47-61
• 4.1 系統(tǒng)整體結構設計47-49
• 4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)49-55
• 4.2.1 微控制器電路49-50
• 4.2.2 系統(tǒng)時鐘電路50
• 4.2.3 模數(shù)轉換電路50-51
• 4.2.4 數(shù)據(jù)存儲電路51-52
• 4.2.5 邏輯譯碼電路52-53
• 4.2.6 多路開關電路53-54
• 4.2.7 串口通訊電路54-55
• 4.2.8 系統(tǒng)復位電路55
• 4.3 數(shù)據(jù)傳輸電路設計與模塊選型55-58
• 4.3.1 遠程傳輸方式的選擇55-57
• 4.3.2 數(shù)據(jù)傳輸電路57-58
• 4.4 系統(tǒng)供電系統(tǒng)58-59
• 4.4.1 供電方式的選擇58-59
• 4.4.2 系統(tǒng)電源電路59
• 4.5 本章小結59-61
• 第五章 R-T-O冰雪情自動檢測系統(tǒng)軟件設計61-73
• 5.1 系統(tǒng)程序開發(fā)環(huán)境61-62
• 5.1.1 IAR與Quartus II介紹61
• 5.1.2 開發(fā)語言介紹61-62
• 5.2 系統(tǒng)程序設計62-68
• 5.2.1 主程序設計62-64
• 5.2.2 電壓采集程序設計64-65
• 5.2.3 溫度采集程序設計65
• 5.2.4 數(shù)據(jù)存儲程序設計65-67
• 5.2.5 數(shù)據(jù)傳輸程序設計67-68
• 5.3 上位機程序設計68-70
• 5.3.1 開發(fā)環(huán)境介紹68-69
• 5.3.2 上位機功能介紹69-70
• 5.4 手持終端調(diào)試APP70
• 5.5 本章小結70-73
• 第六章 R-T-O冰雪情自動檢測系統(tǒng)現(xiàn)場試驗及數(shù)據(jù)分析73-87
• 6.1 R-T-O冰雪情檢測設備在黑龍江漠河河道現(xiàn)場安裝及調(diào)試情況73-78
• 6.2 漠河河道下游冰雪情監(jiān)測數(shù)據(jù)分析78-84
• 6.2.1 河道冰情監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析78-79
• 6.2.2 2015年漠河河道冰層厚度異常生長及原因分析79-80
• 6.2.3 河道下游冰上積雪深度數(shù)據(jù)分析80-82
• 6.2.4 河道下游冰層溫度梯度監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析82-84
• 6.3 本章小結84-87
• 第七章 總結與展望87-91
• 7.1 總結87-88
• 7.2 展望88-91
• 參考文獻91-95
• 致謝95-97
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文及獲獎情況97-99
• 攻讀碩士學位期間參與的科研項目99

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張濤;趙學枰;;石油套管射孔檢測傳感器的研制[J];吉林大學學報(理學版);2006年05期

2 ;九州方圓[J];中國科技信息;1992年11期

3 鄭豐隆;崔巍;李玉華;趙海濤;;絞車盤形閘工作間隙檢測傳感器的研究[J];山東科技大學學報(自然科學版);2006年03期

4 孫金立,袁英民,陳新波;放置式渦流檢測傳感器的設計與制作[J];青島大學學報(自然科學版);2002年03期

5 湯一平;尤思思;朱藝華;;基于動態(tài)圖像理解的生物式水質(zhì)檢測傳感器[J];高技術通訊;2008年03期

6 高尚偉;周澤兵;吳書朝;楊延春;屈少波;王強;;ASTRODⅠ計劃的慣性檢測傳感器研究[J];紫金山天文臺臺刊;2004年Z1期

7 李斌;鄭q，

本文編號：756694