衡阳结冰厚度传感器实验

此次实验目的是在理论成熟、多次实验基础条件下，结冰厚度传感器及其测报系统是否能在仿真低温环境下成功使用及稳定工作，这对于验证空气、 冰、 水电阻率差异来判断冰层厚度的理论及后续仪器研制开发的必要性都起着极其重要的作用。

一、 实验设备：

结冰厚度传感器两根， 冰层厚度测报仪两台， 直流蓄电池（１２ｖ－２４Ａｈ）两台。冰厚测报仪由蓄电池供电。

二、 实验方法

使冰厚传感器及其测报仪在低温下工作，下位机程序设置为每天的整点启动采集子程序， 而在每天的上午九点半和下午四点半（六月 十一号以后改为上午八点半和下午八点半）与上位机通信，通信时使用串口调试助手软件保存采集的数据。在安放仪器时记录下传感器的入水点刻度位置， 这样就可以准确判断出程序和仪器对界面判断的准确程度。

由于结冰过程是一个周期，可以以一个时间段（几星期或一个月 ）为一个周期进行试验 同时需要测试蓄电池在低温下的使用时间，两台蓄电池一个加保温措施， 一个不加保温措施来进行比较其使用时间上的区别。

三、 实验步骤：

１． 仪器的安装：由于传感器为棒状物体， 在冷冻池中无法直立安装， 可将其先用胶带固定于木棒上（将传感器与木棒绑成十字形）， 再将木棒横在冷冻池的两侧，待冰层厚度足可以将传感器支撑起来时（冰厚达四五公分时），即可以将木棒和固定胶带拆除。而将两台控制仪放入一个自制的保温盒内，两台蓄电池一个加保温措施。

２．仪器的调试：将仪器通电后根据面板上的按钮将其时钟调整到当前时问即可换到运行状态投入使用。

３．数据的读取：每天的上午九点半和下午四点半（六月十一号以后改为上午八点半和下午八点半）前几分钟进入冰库， 将与仪器连接的串口线连接到电脑的串口上，同时将串口调试助手软件运行， 对软件的设黄选择十六进制显示并且不让其自动清空即可。 如果离预设时间太长，则可以通过面板设置将仪器的时间调整到上午九点半和下午四点半的前一分钟， 等仪器的时间到上午九点半和下午四点半时仪器将自动调用发送程序间数据传输到串口调试助手中，等到数据发送完毕（控制仪上的通信指示灯灭后）即可完成数据传输。然后将修改的时间调整回来，再将数据保存进行后期数据分析。

3．２实验数据分析

实验开始时共安放了两套系统，运行开始后发现其中一套采集上来的数据发生错误，经测试，发现传感器有问题， 所以这次试验过程中一直工作的是一套系统。但为了测试蓄电池的工作情况， 所以另～套有问题的传感器仍让其一直工作。在变换使用多种比较电阻的情况下， 对实验数据进行比较分析后，得出如下几点试验结论：

Ｉ．经比较分析，发现比较电阻较小时（ＩＯＭ），冰水界面能比较清晰的分辨出来，但空气和冰的界面只会在入冰点和随后的几个点发生跳变， 但是接着又会恢复几乎在空气中的电压值， 如图３一ｌ所示：

从与电阻丝测量的数据对比分析， 下界面的测量值一般都有３到５公分的误差，即比电阻丝测量值大３到５公分。 综合全部数据分析， 可能的一种结果是由于传感器从冰面没入水中的部分也有一部分结冰， 如图３－２所示：

这样在刚进入水面中的几个传感器触点也会有冰覆着， 所以会导致测量值的增加。电阻丝的测量原理是在电阻丝的下方系上铅块，然后将电阻丝和铅块都放入水槽中， 当电阻丝被冻在冰层中后，给电阻丝通直流电， 电阻丝受热融化即可以提起来，而铅块被卡在冰层下表面上， 即算出电阻丝移动的距离即可以得出冰厚。此种方法的优点是测量准确，但是所有操作都需人工完成， 自动化程度太低。

２． 采用比较大电阻（１8０Ｍ）后． 冰和空气的分压数据能有一定的差别，如图：

即冰中的电压值相比于空气中电压值来讲稍大， 与仪器的分压原理一致。但是在入冰几个点的电压值较大， 形成一个小尖峰。 如果按照仪器的分压原理来讲， 则可能是入冰的一部分冰面的电导率与靠下部分的冰面的电导率不同导致的。 可以在下次试验过程中在不同深度的冰面中冻入导线然后用兆欧表测量其电阻即可验证。也有一种

可能是以为传感器和冰层结合不紧密导致，即由于仪器的热胀冷缩导致传感器和冰层在冰面靠下部分结合不紧密， 导致传感器的触点与冰层有间隙，则等效出来的电阻也较大， 从而分压较小。

３．改用３００Ｍ电阻，从界面判别上说，和１８０Ｍ电阻比较没有太明显的区别，如图３－４：

４．曾经以为结冰点的电压突变是由于入冰点附近由于保温材料的泡沫颗粒附着所至。 为验证， 现在冰面上加过一公分的自来水。 对取回来的数据分析发现：入冰点的电压突变依然存在，但是在冰层中的原来

电压较低部分的电压值出现波动。 如图：

出现上述现象的原因是加水期间会影响冰层中的温度场， 使得下界面发生反复。从这方面来看， 有利于野外的测量， 由于野外会有降雪融雪的影响， 会引起温度场的变化，使得即时大气温度不变的情况下冰的下界面都会发生反复的变化。实验结果表明电导式冰厚测量仪是能够反映该因素引起的冰厚变化的。

５．不同比较电阻值的数据综合：

１）．１０Ｍ比较电阻：

２）． １８０Ｍ比较电阻

３）． ３００Ｍ比较电阻

从上图可以反映几种现象：

（１）． 加水一公分后， 入冰点的峰值会前移一公分， 表明了仪器对上界面的判断还是准确可靠的。

（２）． 从比较电阻情况发现一个现象，就是在每次更换比较电阻以后，如果在短时间内把时钟调节到整点， 则采集回来的数据会在空气中出现较大的分压值。 因为分压值较平稳， 可能是电路的原因导致的。

（３）．每天下午四点左右为冰冻实验室的除霜时间， 期间会导致冰库内温度的回升，从而会使传感器露在空气中的部分有水汽附着， 这就会使空气的触点间也会有较小的电阻产生。 因为水器的附着不均匀， 所以产生的等效电阻值也会不同， 这就会在空气中的部分产生不规则的分压值。

４）．又在原来的基础上加过三公分左右的水后， 测回的数据如下图：

从上图可以看出， 传感器还是可以较准确和灵敏的反应出上界面的变化。

５）．６００Ｍ比较电阻：

加水后（５月 ３１目下午和６月 １日上午两次加水）出现了一个现象就是入冰点的突

３８变峰值不仅变得越来越大， 而且宽度也越来越大， 在６月４ 号认为冰已经完全冻结后的突变处宽度已经达到接近１ ５ｃｍ。 为验证是否由于电阻值的过大而导致的宽度增大，将比较电阻值换回１０Ｍ后的曲线图如下：

从图中可以看出， 宽度仍然没有缩短， 这种现象如果用传感器和冰层结合不紧密地假设来解释， 可能是加水后由于温度影响使靠近上冰面的一部分触点和冰面的结合更加充分， 从而使先前由于热胀冷缩原因形成的大阻值变小而使分压值抬高。

３．３实验数据总结

１． 通过将近三周的冰冻试验， 传感器对界面的区分还是可靠的， 但是由于对冰的结冰过程以及不同冰层厚度的电导率原始试验数据掌握的不足，导致对冰层中出现的先高后底现象的解释理论根据不足， 这需要在今后的实验中予以解决。

２．传感器的外形和制作工艺需要根据南极实验效果和窦银科的建议予以进一步的改进。 例如触点的形状和选材、 公共端的放置位置及形状问题以及传感器的外形都需要近一步改进。

３． 加水后温度场的变化对冰层的影响是以前没有发现的现象， 需要在下次试验中进一步的跟踪实验。

４． 软件的不灵活性在实验中的不足也体现出来， 可将采集数据的灵活设置：如在冰的开始冻结过程， 或在加水后的一段时间内需要频繁采集的时刻就需要将采集的间隔加快。 而冰层厚度变化缓慢和外界条件恶略而不宣读数的环境下，则可将采集间隔设长。 这都需要在软件中实现。