黄河冰层厚度测量仪的研制

　　黄河地处北方地区,由于纬度跨度较大,冰凌危害时常发生,给沿岸人民的生命和财产安全带来了极大的威胁.解决冰凌问题,首先要认识冰的基本条件,而在受气象和水文条件控制的冰条件中,最直观且重要的指标之一是冰的厚度及其变化过程,它是监测冰川变化、河道冰塞形成、凌汛发生和冰对结构物作用力的基础[1].

　　近年来,科技工作者在厚度测量方面做了大量的工作,探讨了多种非接触式测量方法,诸如超声波法、激光法、射线法等,这些测量方法虽然快捷方便,但易受被测物体的材质、温度、色泽等因素的影响,因此测量对象参数一般相对固定,如纸张、镀层、金属等[2,3].文献[4]中也提到了几混凝土厚度测量方法,但冰的性质比较特殊,其物理参数随外界温度变化较大,又加上黄河水中杂质多、含沙量大,这些无疑都加大了测量的难度,再者冰与水之间交接面比较特殊,使得上述的厚度测量方法都难以满足测量要求.当前,黄河上的冰层厚度测量,仍停留在近乎原始的状态:先用冰凿将冰层凿透,然后用尺子直接测量.在文献[1]中,探讨了利用水的导电特性对冰层厚度进行数字化自动检测的方法,但由于这一检测方法成立的前提是水与冰所具有的导电特性,而这一特性要受到水的纯度、冰层的温度等因素的影响,特别是冰层底部与水交界面电导率变化特性比较复杂,导电与绝缘无严格的分界点,给检测带来了困难[1].冰层厚度的自动检测在国际上是一个尚未解决的难题[5,6].

　　本文针对黄河冰层的特点,设计了一种黄河冰层厚度测量仪.

　　1　黄河冰层厚度测量仪结构

　　1.1　工作原理

　　本测量仪充分利用冰与水存在状态的不同,结合直接钻孔测量简单可靠的特点,得出冰层厚度.冰层厚度是从冰的上表面到冰水交界面,冰的上表面是钻削的起点,容易判断,难点在于判断冰水的交界面.众所周知,要想进行判断,就必须要有特征,因此要想判断出冰水的交界面,就要找出其特征.从冰与水的物理参数对比来看,最大的区别就在于存在形态,冰是固态,水是液态.因此,在钻削冰层的过程中,若钻头接触到水面,则钻削的阻力会迅速减小,在进给力基本不变的条件下,钻头的进给速度势必增大,产生一个较大的速度变化,本测量仪就是以此作为判断冰水交界面的特征,而由钻头的行程可得冰层的厚度.

　　1.2　组成

　　测量仪的组成如图1所示.主要有直流电动机、导筒、进给手柄、花键轴、钻头、支架、上下滑轮、无伸缩绳索、传感器、单片机等组成.图中1-上滑轮;2-推力轴承;3-紧固螺钉; 4-滑块;5-进给手柄;6-弹性挡圈;7-无伸缩绳索;8-花键轴;9-导筒;10-箱体;11-直流电动机;12-减速齿轮对;13-光电开关传感器;14-下滑轮;15-信号齿轮;16-钻夹;17-三角支架;18-钻头;19-定位孔;20-冰层.