基于磁致伸縮原理的位移傳感器具有高精度、高穩(wěn)定性、多位置測量的特點 ,據(jù)此研制了一種能同時測量冰/ 雪表面和冰底面變化的接觸式冰雪厚度測量儀. 該儀器被應(yīng)用到低溫實驗室冰厚和南極固定冰區(qū)冰雪厚度的測量中. 實驗室歷時 540 h ,測量精度 ±0. 13 cm ;現(xiàn)場應(yīng)用持續(xù) 6 個月 ,測量精度 ±0. 20 cm. 高精度的測量數(shù)據(jù) ,特別是現(xiàn)場測量數(shù)據(jù) ,為分析冰厚變化的細微過程提供了基礎(chǔ) ,為深入研究氣2冰2海耦合過程 ,完善海冰熱力學(xué)數(shù)值模型提供了支持. 另外 ,該儀器還能為冰工程領(lǐng)域的研究提供技術(shù)支持.
海冰是氣候變化的指示劑 ,極地冰區(qū)是影響氣候變化的關(guān)鍵區(qū)域 . 同時 ,冰荷載是寒區(qū)水利工程、海岸和海洋工程設(shè)計的控制荷載之一 ,給水工和海工建筑物的安全運行帶來極不利的影響 . 在氣候2環(huán)境科學(xué)研究中 ,冰厚是最基礎(chǔ)的參數(shù)之一 ,目前建立的冰物質(zhì)平衡預(yù)報模式 ,需要大量實測冰厚數(shù)據(jù)作為模式計算的初始條件和結(jié)果檢驗依據(jù) ; 在冰工程中 ,冰厚是計算海冰對海工建筑物作用力的關(guān)鍵指標(biāo)之一 . 已有冰厚測量技術(shù)中 ,鉆孔和熱電阻絲的接觸式測量可靠 ,但因其勞動強度大 ,不能實現(xiàn)連續(xù)觀測. 系泊仰視聲納被認為是定點冰厚自動化觀測的設(shè)備 ,但實踐證明其典型精度只有 20 cm ,相對精度 11. 5 % . 此外 ,還有衛(wèi)星遙感、雷達測量、電磁感應(yīng)測量等自動化觀測技術(shù) ,但它們的精度都不能滿足工程設(shè)計和管理的需要 ,只能在大面積的冰厚觀測中發(fā)揮作用 .基于磁致伸縮位移傳感器 ,李志軍等研制了一種接觸式的冰雪厚度測量儀 . 它克服了勞動強度大、不能實現(xiàn)連續(xù)自動測量的缺點. 本文介紹該儀器的測量原理 ,給出其在實驗室和南極現(xiàn)場應(yīng)用的運行性能分析 ,證實其在低溫環(huán)境下的適用性.
1 工作原理
鐵磁質(zhì)磁化方向的改變會引起介質(zhì)晶格間距的改變 ,使得鐵磁質(zhì)的長度和體積發(fā)生變化 ,此即磁致伸縮現(xiàn)象 ,也稱為威德曼效應(yīng) ,其逆效應(yīng)稱為維拉里效應(yīng). 磁致伸縮絲為波導(dǎo)鋼絲 ,在脈沖電流激勵下會形成環(huán)形磁場 ,并與磁環(huán)的永磁場相交 ,因威德曼效應(yīng) ,產(chǎn)生周向機械扭轉(zhuǎn)變形 ,并以扭力波的形式向兩端傳播. 當(dāng)回波到達檢出機構(gòu)時 ,因維拉里效應(yīng) ,在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電脈沖. 通過電路設(shè)計可得到激勵脈沖到回波感應(yīng)脈沖的時間t ,則磁環(huán)與檢出機構(gòu)的距離 L = v ·t , v 為扭力波傳播速度. 當(dāng)前廣泛應(yīng)用于活塞位置測量、液位測量、競技賽場距離測量等方面 的磁致位移傳感器就是基于上述磁致伸縮原理發(fā)展而來的. 與電磁波/ 聲波測距技術(shù)相比 ,因為磁致位移傳感器所檢測的扭力波波速在不同環(huán)境下變化不大 ,時間檢測容易實現(xiàn) ,因此具有高時間分辨率和高精度的特點. 另外 ,如果在不同位置放置多個磁環(huán) ,可實現(xiàn)多位置測量. 利用磁致位移傳感器技術(shù) ,并考慮到特殊的應(yīng)用環(huán)境要求 ,本文研制了一種接觸式冰雪厚度測量儀 . 冰雪厚度測量儀設(shè)計期望的綜合精度為 ±0. 2 cm ,測量間隔在 10～180 min 可調(diào) ,工作環(huán)境溫度為 - 55 ℃. 儀器箱和測量桿是測量儀的兩個主要部件. 它們之間用導(dǎo)氣管和電纜連接 ,導(dǎo)氣管用于連接氣缸和下磁環(huán)機構(gòu)內(nèi)的氣囊 ,電纜用于連接測量桿上的位移傳感器和卷揚機的電氣部分. 測量桿由兩根導(dǎo)熱性較低的 PPR 管包裹 ,導(dǎo)氣管從其中一根測量桿內(nèi)通過 ,傳感器的磁致伸縮絲則裝在另一根測量桿內(nèi). 儀器的測量過程主要是通過控制兩個可活動磁環(huán)運動完成. 測量時 ,上磁環(huán)機構(gòu)向下運動 ,放置在冰/ 雪面上 ;下磁環(huán)機構(gòu)通過氣動方式控制 ,當(dāng)氣缸壓縮空氣時 ,磁環(huán)機構(gòu)內(nèi)的氣囊膨脹 ,下磁環(huán)機構(gòu)浮起 ,與冰底面接觸. 這時探測上、下活動磁環(huán)與固定磁環(huán)的距離 ,與初值比較 ,得到冰/ 雪表面和冰底面的位置. 測量完畢后 ,上磁環(huán)機構(gòu)在卷揚機牽引力的作用下向上運動 ;隨釋放氣缸壓力 ,氣囊收縮后下磁環(huán)機構(gòu)下沉到測量桿底端.
2 應(yīng)用性能分析
2. 1 實驗室應(yīng)用
在低溫實驗室進行了一組淡水冰生長過程模擬實驗 ,實驗水槽平面大小 2 m ×0. 5 m ,水深0. 7 m ,環(huán)境溫度 - 16～ - 20 ℃,冰生長最終厚度46. 2 cm ,實驗歷時 540 h. 實驗歷時 250 h 時 ,實驗室出現(xiàn)電路故障 ,斷電 8 h. 實驗過程中利用磁致位移冰雪厚度測量儀測量冰厚 ,并利用熱電阻絲測量裝置進行冰厚比對測量 ,其目的是驗證儀器測量數(shù)據(jù)的可靠性. 給出了儀器和熱電阻絲測量裝置同時刻的測量結(jié)果 ( X 和 Y) . 實驗歷時 250 h 壓縮機停止工作后 ,水槽內(nèi)冰層增長速率出現(xiàn)空間差異 ,壓縮機恢復(fù)工作后 ,冰增長的空間差異仍需要一定時間才能消除. 所以對應(yīng)實驗歷時 250～300 h ,冰層從約 25 cm 增長至 30 cm時 ,熱電阻絲測量裝置與儀器的測量結(jié)果差異較大 ,偏差超過 1 cm. 除此期間外 ,兩者的偏差均小于 1 cm. 儀器測量數(shù)據(jù)可靠 ,然而熱電阻絲測量裝置的測量精度只有 ±0. 5 cm ,而且測量頻次較低 ,不能依此判斷儀器的測量精度. 為分析儀器的測量精度 ,假設(shè)冰生長速率在 12 h 內(nèi)為一定值 ,以12 h 為時間窗對測量結(jié)果作線性濾波 ,計算實測值與擬合值的偏差 e ,并分別計算正、負偏差值的均值值和標(biāo)準(zhǔn)差 ,取它們的和作為誤差. 給出了測量數(shù)據(jù)的正、負偏差. 正偏差值為 0. 11 cm ,負偏差值為 0. 13 cm ,因此儀器的實驗室綜合精度為 ±0. 13 cm ,優(yōu)于儀器期望的綜合精度 ,達到預(yù)想效果.
2. 2 現(xiàn)場應(yīng)用
在實驗室應(yīng)用的基礎(chǔ)上 ,對儀器進一步改進后 ,將其應(yīng)用于中國南極中山站附近固定冰區(qū)冰雪厚度的定點測量中. 2006203227 實施了儀器的布放 ,布放時冰厚 25 cm. 2006203230 開始測量 ,測量間隔設(shè)定為 180 min , 個別天數(shù)采用 120 min. 表 1 總結(jié)了儀器運行過程中所經(jīng)歷的現(xiàn)場環(huán)境條件.觀測至 2006209221 結(jié)束. 根據(jù)現(xiàn)場觀測 ,該區(qū)域冰面雪蓋日累積量小于 10 cm ,冰底生長率小于 3 cm ·d - 1 ,所以當(dāng)冰/ 雪表面測量值與當(dāng)天測量均值相差大于 10 cm ,冰底測量值與當(dāng)天測量均值相差大于 3 cm 時 ,數(shù)據(jù)視為奇異值. 奇異值均為機械部件故障引起. 這些故障在現(xiàn)場能被發(fā)現(xiàn)和處理 ,引起的奇異值也都能被識別. 下磁環(huán)機構(gòu)工作有效率為 93. 7 % ,上磁環(huán)機構(gòu)工作有效率為 92. 6 %.為了驗證儀器測量數(shù)據(jù)的可靠性 ,在儀器周邊 2 m 半徑范圍內(nèi)共進行了 24 次鉆孔冰厚測量. 給出了鉆孔與儀器同時間的測量結(jié)果 dd 和de ,它們的平均偏差為 (1. 5 ±1. 0) cm ,可認為儀器測量數(shù)據(jù)是可靠的.假定日內(nèi)海冰生長率不變 ,采取實驗室測量數(shù)據(jù)精度分析方法 ,對儀器現(xiàn)場觀測精度進行估計 ,得到冰底面測量值正、負偏差 ,正、負偏差值均為 0. 20 cm ,達到期望的綜合精度.
2. 3 新技術(shù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的優(yōu)勢分析
海冰熱力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果表明極地海冰穩(wěn)定生長期的生長率每天只有幾毫米 ,但這些結(jié)論尚缺少實際觀測數(shù)據(jù)支持. 如果使用多日間隔的冰厚度測量數(shù)據(jù) ,就難以反映模式中氣象或水文強迫的短時效應(yīng). 因此 ,如何觀測到毫米級的冰厚數(shù)據(jù)成為了海冰熱力學(xué)研究的"瓶頸"問題 .
給出了 2006205 和 2006208 的海冰厚度ci 和海冰生長率 v. 海冰生長率存在明顯的日變化 ,這對于傳統(tǒng)觀測手段來說 ,會因其精度不高而不能識別. 另外 ,冬季天文潮引起的水體水平熱交換對東南極普里滋灣固定冰生長的影響一直都被認為可以忽略[15 ] . 然而 ,磁致位移測量儀能得到海冰生長率的細微變化 ,觀測結(jié)果表明海冰生長率在大潮期 (05215、08210 以及 08225 左右) 相對較低 ,小潮期 (05208、05223 以及 08217 左右) 相對較高 ,具有明顯的半月周期變化特性.積雪厚度是計算積雪表面能量平衡的關(guān)鍵參數(shù). 現(xiàn)場觀測時 ,積雪厚度由上磁環(huán)的觀測數(shù)據(jù)得到. 2006207230 至 2006207231 ,中山站地區(qū)經(jīng)歷了當(dāng)年降雪過程 ,因降雪后出現(xiàn)了大風(fēng)天氣 ,冰表面雪厚度變化明顯. 給出了 07229 至 08202積雪厚度的變化過程 ,儀器準(zhǔn)確地捕捉到了雪厚在這其間經(jīng)歷的快速變化過程 ,這對于傳統(tǒng)的花桿測量來說 ,因其測量頻次較低 ,是難以實現(xiàn)的.
3 結(jié) 論
通過多種方法證實了磁致位移測量儀測量數(shù)據(jù)的可靠性. 儀器能同時測量冰底面和表面的變化過程 ,在低溫實驗室和現(xiàn)場應(yīng)用的測量精度分別為 ±0. 13 cm 和 ±0. 20 cm ,均達到期望的綜合精度要求 ,為解決制約冰熱力學(xué)研究向精細發(fā)展的“瓶頸”問題提供了基礎(chǔ). 通過儀器在南極中山站的應(yīng)用 ,觀測到天文潮對該區(qū)域固定冰生長的影響即使在冬季也不能忽視的現(xiàn)象. 該儀器適用于極區(qū)、亞極區(qū)非變形海冰 ,高緯度地區(qū)河冰、水庫冰 ,和實驗室冰厚無人值守的連續(xù)測量.目前測量環(huán)境對儀器測量精度的影響主要體現(xiàn)在惡劣環(huán)境可能使儀器出現(xiàn)機械故障 ,然而這些缺陷將來是可以通過機械部件的優(yōu)化設(shè)計得以彌補的.
