本文關(guān)鍵詞：基于被測(cè)介質(zhì)物理特性差異的R-T-O冰雪情檢測(cè)傳感器及其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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【摘要】：冰凍現(xiàn)象及其伴生的有關(guān)冰凌災(zāi)害,經(jīng)常發(fā)生于我國(guó)北方黃河、黑龍江流域中上游地區(qū),是我國(guó)特有的重大自然災(zāi)害之一,對(duì)沿河流域廣大地區(qū)的人民生命及國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅。為了有效預(yù)防冰凌災(zāi)害的發(fā)生,需要掌握內(nèi)陸河流冰、雪生消過(guò)程中詳實(shí)的科學(xué)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(yīng)力變化等。而研制極低溫(低于-30°C)環(huán)境下同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)冰、雪生消變化過(guò)程連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的新設(shè)備是該領(lǐng)域一項(xiàng)亟需解決的工程應(yīng)用難題。在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)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(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè),并根據(jù)野外冰雪情觀(guān)測(cè)中對(duì)檢測(cè)設(shè)備的特殊要求,自行研制了“R-T-O冰雪情自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)”,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人值守的河道觀(guān)測(cè)點(diǎn)冰情、雪情數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取與處理。通過(guò)與黑龍江省大興安嶺水文局、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的科研人員合作,新研制的R-T-O冰雪情自動(dòng)檢測(cè)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(jìn)行冰情、雪情的連續(xù)監(jiān)測(cè),首次通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)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(chǎng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),包括冰厚、雪深、溫度梯度,并完成了對(duì)冰雪情數(shù)據(jù)的分析工作。研究?jī)?nèi)容及研究結(jié)果概括如下:(1)通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料了解國(guó)內(nèi)外冰雪檢測(cè)理論,確定本課題研究?jī)?nèi)容,掌握了基于不同介質(zhì)層物理特性差異進(jìn)行冰雪情檢測(cè)的原理。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn),研究不同介質(zhì)層的被測(cè)物理量數(shù)值變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同介質(zhì)層(冰、雪、水)的物理參數(shù)測(cè)量值存在較大區(qū)別,可通過(guò)該物理量的測(cè)量值范圍判斷檢測(cè)區(qū)間位于何種介質(zhì)層中,以達(dá)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作,研制出試驗(yàn)傳感器。利用課題前期所研制的試驗(yàn)傳感器于2014年12月~2015年4月在漠河河道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了性能測(cè)試以及數(shù)據(jù)采集工作。結(jié)合安裝調(diào)試經(jīng)驗(yàn)以及傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),本研究主要對(duì)r-t-o傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使其更符合實(shí)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(cè)傳感器的級(jí)聯(lián)功能;3)使用fpc技術(shù)改進(jìn)r-t-o冰雪情檢測(cè)傳感器中溫度檢測(cè)部分的硬件形態(tài),降低了傳感器本身結(jié)構(gòu)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響;4)以pt100為測(cè)溫元件,提出并設(shè)計(jì)了多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng),并對(duì)多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行了溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn),提高了溫度測(cè)量精度;5)通過(guò)r-t-o冰雪情自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采集的積雪數(shù)據(jù)與人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,總結(jié)出對(duì)射式積雪深度檢測(cè)部分的結(jié)構(gòu)缺陷,提出采用反射式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)代替對(duì)射式結(jié)構(gòu),以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性。(3)結(jié)合r-t-o冰雪檢測(cè)傳感器的特殊應(yīng)用場(chǎng)合以及數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)幕具^(guò)程,提出r-t-o冰雪情檢測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì),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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在黑龍江漠河河道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的試驗(yàn)任務(wù),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(zhǎng)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(yàn)證了R-T-O檢測(cè)理論的可行性以及傳感器的穩(wěn)定性。通過(guò)繪制2016年漠河下游觀(guān)測(cè)點(diǎn)冰層、雪層的溫度梯度數(shù)據(jù)的溫度輪廓線(xiàn),總結(jié)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(jié)構(gòu)變化的規(guī)律。此外,對(duì)2015年漠河冰厚觀(guān)測(cè)中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象進(jìn)行了分析,并綜合當(dāng)?shù)厮念A(yù)報(bào)人員的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察,驗(yàn)證了分析結(jié)果,再一次證實(shí)了設(shè)備的可靠性。
【關(guān)鍵詞】：物理參數(shù) 冰雪情 傳感器 自動(dòng)檢測(cè)
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：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(yīng)用背景13-15
• 1.2 國(guó)內(nèi)外冰雪情檢測(cè)技術(shù)研究動(dòng)態(tài)15-17
• 1.2.1 冰情檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀分析15-17
• 1.2.2 雪情檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀分析17
• 1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排17-19
• 第二章 基于被測(cè)介質(zhì)物理特性差異的冰雪情檢測(cè)原理研究19-31
• 2.1 基于空氣、冰與水電阻特性差異實(shí)現(xiàn)冰情檢測(cè)的研究19-22
• 2.2 基于空氣、冰與水溫度特性差異實(shí)現(xiàn)冰情檢測(cè)的研究22-25
• 2.3 基于空氣與雪光強(qiáng)衰減特性差異進(jìn)行雪情檢測(cè)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(qiáng)衰減特性實(shí)現(xiàn)積雪深度檢測(cè)的模擬實(shí)驗(yàn)研究26-29
• 2.4 R-T-O冰雪情檢測(cè)方法29
• 2.5 本章小結(jié)29-31
• 第三章 R-T-O冰雪情檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化31-47
• 3.1 R-T-O冰雪情檢測(cè)傳感器31-33
• 3.2 R-T-O冰雪情檢測(cè)傳感器冰、水檢測(cè)部分33-36
• 3.2.1 R-T-O冰雪情檢測(cè)傳感器級(jí)聯(lián)功能的設(shè)計(jì)35-36
• 3.3 R-T-O冰雪情檢測(cè)傳感器溫度梯度檢測(cè)部分36-43
• 3.3.1 DS18B20溫度梯度檢測(cè)36-38
• 3.3.2 Pt100溫度梯度檢測(cè)38-42
• 3.3.3 DS18B20溫度梯度檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化42-43
• 3.4 R-T-O冰雪情檢測(cè)傳感器積雪深度檢測(cè)部分43-45
• 3.4.1 對(duì)射式積雪深度檢測(cè)結(jié)構(gòu)43-45
• 3.4.2 反射式積雪深度檢測(cè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)45
• 3.5 本章小結(jié)45-47
• 第四章 R-T-O冰雪情自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)47-61
• 4.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)鐘電路50
• 4.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路50-51
• 4.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路51-52
• 4.2.5 邏輯譯碼電路52-53
• 4.2.6 多路開(kāi)關(guān)電路53-54
• 4.2.7 串口通訊電路54-55
• 4.2.8 系統(tǒng)復(fù)位電路55
• 4.3 數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)與模塊選型55-58
• 4.3.1 遠(yuǎn)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(jié)59-61
• 第五章 R-T-O冰雪情自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)61-73
• 5.1 系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)環(huán)境61-62
• 5.1.1 IAR與Quartus II介紹61
• 5.1.2 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言介紹61-62
• 5.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)62-68
• 5.2.1 主程序設(shè)計(jì)62-64
• 5.2.2 電壓采集程序設(shè)計(jì)64-65
• 5.2.3 溫度采集程序設(shè)計(jì)65
• 5.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)65-67
• 5.2.5 數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)67-68
• 5.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)68-70
• 5.3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹68-69
• 5.3.2 上位機(jī)功能介紹69-70
• 5.4 手持終端調(diào)試APP70
• 5.5 本章小結(jié)70-73
• 第六章 R-T-O冰雪情自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析73-87
• 6.1 R-T-O冰雪情檢測(cè)設(shè)備在黑龍江漠河河道現(xiàn)場(chǎng)安裝及調(diào)試情況73-78
• 6.2 漠河河道下游冰雪情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析78-84
• 6.2.1 河道冰情監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析82-84
• 6.3 本章小結(jié)84-87
• 第七章 總結(jié)與展望87-91
• 7.1 總結(jié)87-88
• 7.2 展望88-91
• 參考文獻(xiàn)91-95
• 致謝95-97
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及獲獎(jiǎng)情況97-99
• 攻讀碩士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目99

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