文档介绍：太原理工大学
硕士学位论文
新型电容数字式冰层厚度传感器及其检测方法的研究
姓名:崔玫菊
申请学位级别:硕士
专业:@
指导教师:秦建敏
@
太原理工大学硕士研究生学位论文
新型电容数字式冰层厚度传感器及其检测方法的研究
摘要
本课题是在国家自然科学基金项目“冰层厚度传感器及其检测方法的
研究”(60672028)和 2008 年山西省研究生优秀创新重点资助项目“基于空
气与冰物理特性差异的电力网覆冰厚度遥测系统”(20081009)等项目资助
下进行的一项应用基础研究。
2008 年我国南方地区的冰冻自然灾害,2009 年黄河壶口瀑布冰凌灾害,
2010 年的冷冬致使黄河流域、渤海湾海域冰封面积超过历史最大记录,全
球变暖,冰川消融,海平面上升等等一系列变化无不影响着人们正常的生
产生活。大自然正频繁地为我们敲响警钟。如何能在灾难来临之前就发出
预警信号,在悲剧发生前就采取相应减灾防范措施?这就需要对冰层厚度
进行实时监测,及时了解冰雪、冰凌的生消变化情况。鉴于此,本文提出
了基于空气、冰与水的电容特性差异,通过电容值到数字信号的直接转换
来测量冰层厚度的新方法。
在继承实验室前期取得的科研成果的基础上,为改善电阻式冰厚传感
器在分辨冰与水、冰与空气的分界面上存在误差的情况,对比其优势及实
验过程中发现的问题,笔者探索研发了新型电容数字式冰层厚度传感器。
针对传统交流法测量及传输电容数据过程中存在的弊端,提出了利用电容
数字转换器 CDC(Capacitance to Digital Converter) 直接将传感器测得的电
容值转化为数字信号传回检测系统来确定冰层厚度的检测思路。然而,目
前市场可用的 CDC 输入电容范围均远小于前期实验测得的范围,这就需要
在传感器的结构、选材等方面进行改造,使其适配于 CDC 的测量范围。由
笔者设计的改进型电容式冰层厚度传感器模型采用了垂直双排线极板尺形
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结构。在经过大量的实验室检测机理实验基础上,通过对传感器电容检测
极板外层增加保护层绝缘,将传感器电容检测极板与被测物隔离,使采集
获得的被测介质电容值保持在 CDC 芯片的有效检测范围内。将 CDC 芯片
AD7747 与传感器直接相连并置于同一测量环境中。当以单片机为核心的智
能化数据处理系统接收到传感器采回的被测介质电容数据后,通过系统内
嵌的判断程序分辨出冰、水、空气的分界面,即可判断出冰层厚度。
该传感器具有结构简单、安装方便、抗干扰能力强等特点,整个系统
采用太阳能供电、计算机/单片机信息处理、移动通信数据远传、单总线集
成温度梯度检测等技术,实现了在移动通信信号覆盖范围内不受地域与天
气环境限制的冰水情信息实时远程监测,不仅可以满足电力网线塔架覆冰
厚度自动连续监测的需求,也可应用于森林、野外各种建筑物及海上石油
钻井平台等恶劣环境下对冰层厚度的实时连续监测。该研究成果已成功应
用于参赛项目“基于空气、冰与水物理特性差异的全天候冰、水情自动测
报系统”中,并获得第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞
赛世博专项一等奖的好成绩。

关键字:电容数字式,冰层厚度,传感器,AD7747
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太原理工大学硕士研究生学位论文
RESEARCH ON NEW CAPACITANCE-TO-DIGITAL ICE
THICKNESS SENSOR AND ITS MONITORING METHOD
ABSTRACT
This thesis is an applicable basic research which is funded by the program
of National Natural Science Foundation, "Research on Ice Thickness Sensor and
Its Monitoring Method" (60672028), and graduate students key program of
Shanxi Province outstanding innovation in 2008, "work of
Remote Monitoring System of Ice-Coating Thickness Based on Differences
Between Air and Ice Physical Properties" (20081009).
Frozen natural disaster happened in South China