[發(fā)明專利]一種極地海冰密度自動化測量裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410738714.2
• 申請日: 2014-12-08
• 公開（公告）號: CN104390884A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 竇銀科;孫波;郭井學(xué);常曉敏;王宇暉
• 申請（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號: G01N9/24
• 分類號: G01N9/24;G01N35/00;G06F17/30;G08C17/02;G01N9/36
• 代理公司: 太原市科瑞達(dá)專利代理有限公司 14101
• 代理人: 盧茂春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一種極地海冰密度自動化測量裝置，屬于自動化檢測計量技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用在極地海冰自動化監(jiān)測領(lǐng)域。

背景技術(shù)

????極區(qū)海洋表面大部分被海冰覆蓋,?大氣和海洋過程控制海冰的形成和發(fā)展,?但海冰也同時給予反饋作用。海冰熱力學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)均由組成海冰成分的性質(zhì)和它們的尺寸、形狀、分布及所占比例來決定。極地海冰密度是海冰的重要物理性質(zhì)之一。海冰密度大小取決于海水鹽度、環(huán)境溫度、成冰位置、海冰類型和冰齡等因素。也受樣品存放方式和時間，以及密度測定方法的影響。同時，由于海冰與淡水冰相比具有較多的孔隙，其密度變化較大。海冰內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，除了大部分的固體外，還包括液體和氣體的成分，且含量會隨時間發(fā)生變化。因而海冰密度實際上可以認(rèn)為是一個由多變量組成的函數(shù)。不同區(qū)域的海冰，甚至同一海區(qū)的海冰，在不同時段的數(shù)值存在著很大的波動。國外研究結(jié)果顯示，海冰的密度波動于0.72g/cm3至0.94g/cm3范圍內(nèi)，平均值為0.91g/cm3左右。目前，各國科學(xué)家對極地海冰密度的測量方法主要依靠現(xiàn)場鉆取海冰冰芯，分段取樣，然后按照體積與質(zhì)量比的方法進(jìn)行計算而獲得，無法實現(xiàn)在海冰生長過程中海冰密度的實時自動化監(jiān)測。因此尋求一種能對海冰密度進(jìn)行自動化實時測量的裝置尤為重要。

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發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為一種極地海冰密度自動化測量裝置，其目的是提供一種極地海冰密度實時自動化測量方法，為科研人員研究極地海冰熱力學(xué)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。本發(fā)明裝置包括海冰密度檢測傳感器和單片機控制儀兩部分組成。該發(fā)明依據(jù)聲波在一定間距的海冰內(nèi)傳播后的衰減特性，設(shè)計海冰密度檢測傳感器，利用單片機控制儀進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、無線發(fā)送控制等，實現(xiàn)了極地海冰密度的遠(yuǎn)程無線自動化測量方法。克服了現(xiàn)有海冰密度測量技術(shù)中非實時性問題，從而公開一種主要應(yīng)用在極地考察領(lǐng)域的自動化動態(tài)海冰密度的測量裝置。

本發(fā)明一種極地海冰密度測量裝置，其特征在于整套裝置主要由海冰密度檢測傳感器15和單片機控制儀14兩部分組成。所述海冰密度檢測傳感器15包括支架1、聲波發(fā)射元件2、聲波接收元件3、多路電子開關(guān)4、緊固件5以及溫度鏈12組成。所述單片機控制儀14由單片機6、振蕩信號產(chǎn)生及功放電路7、信號處理電路8、存儲器9及無線發(fā)送模塊10組成。

所述支架1是兩根200cm長10cm寬5mm厚的鋁合金槽，每根槽上按照15cm的間距鉆取直徑5cm的孔，用于固定聲波發(fā)射元件2和聲波接收元件3；聲波發(fā)射元件2是專門用于聲波發(fā)射的元件，直徑5cm，密閉防水，能發(fā)出30Hz～80Hz的聲波，在支架1的一根槽上按照15cm的間隔均勻布設(shè)；聲波接收元件3是專門用于接收與聲波發(fā)射元件2發(fā)出的聲波在海冰中傳播后的信號，直徑5cm，密閉防水。從支架的上端到下端，一個聲波發(fā)射元件2對應(yīng)一個聲波接收元件3。多路電子開關(guān)4有兩個，一個用于選通聲波發(fā)射元件，一個用于選通聲波接收元件，用絕緣防水材料密封分別安裝在支架1的背面；緊固件5是寬為5cm，厚度為3mm，長度為50cm的鋼片，上下兩個連接支架與支架1的鋁合金槽的上下端用螺栓緊固，形成一個長方形框）；在每個聲波接收元件3的下部，設(shè)置一個溫度探頭12，溫度探頭為DS18B20，多個溫度探頭用三根線并接起來直接用單片機讀取海冰的溫度數(shù)據(jù)。（海冰密度測量裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示）

單片機6是單片機控制儀14的核心，它控制其它電路協(xié)同工作；振蕩信號產(chǎn)生及功放電路7的作用是產(chǎn)生一個一定頻率的振蕩信號，并經(jīng)過功率放大器進(jìn)行放大；信號處理電路8的作用是對聲波接收元件3接收到的聲波信號進(jìn)行檢波放大處理；存儲器9的作用是將單片機采集到的聲波接收后的信號進(jìn)行存儲；無線發(fā)送模塊10是銥星無線數(shù)傳模塊，它的作用是將數(shù)據(jù)無線發(fā)送到國內(nèi)監(jiān)控中心；導(dǎo)線11是單片機控制儀與海冰密度檢測傳感器之間的信號線與電源線。（海冰密度測量裝置見圖1，海冰密度檢測傳感器俯視圖見圖2）

本發(fā)明裝置測量海冰密度的原理是利用聲波在不同密度的海冰中傳播時的衰減不同。由于影響海冰密度的主要參數(shù)有溫度、孔隙率等，所以在利用聲波在海冰中傳播特性測量海冰密度之前，必須通過在實驗室進(jìn)行大量實驗，獲取不同溫度時不同密度的海冰對不同頻率的聲波的傳播特性，建立這一特性的數(shù)據(jù)庫。然后利用現(xiàn)場測量獲得的海冰溫度與固定頻率的聲波在海冰中的衰減數(shù)據(jù)，查找數(shù)據(jù)庫中的“溫度——聲波衰減量——密度”的曲線，得到現(xiàn)場被監(jiān)測海冰的密度。