1 引言 水庫、河流、湖泊、海洋、冰川等冰層厚度及冰層內部生消變化一直是國內外水文、地質、氣象、環境保護、防汛減災與水電工程等多個科研與工程應用領域研究內容。北方凌汛威脅黃河流域沿岸人民的生命和各種水電大壩安全，實現冰凌災害的預報與防治首先需要解決的問題就是掌握河流冰層厚度及冰生消變化的規律。近年來全球氣溫升高，極地冰川消融，成為影響人類生存環境的重要岡素，全球氣候變暖引起的人類生活環境的變化與影響已成為21世紀人類最為關心的問題之一。通過對南、北極冰川和海冰厚度變化的觀測，可以為分析全球氣候變化提供最直接的氣象水文資料。 冰層厚度檢測現有水位測量法、機械式冰層厚度檢測法、利用冰水導電率差異的冰層厚度測量法、電磁感應冰層厚度檢測法和脈沖雷達檢測法。電容式冰層厚傳感器利用冰水電介質差異的冰層厚度檢測法進行檢測。 2 空氣、冰與水的電容值隨溫度變化特性 由物理學可知c=εrs/d，電容量的大小取決于介電常數εr、極板面積s和極板間的距離d。對兩極板間距離d與板間面積s固定的電容器，其電容值C隨極板間介質的介電常εr數不同而變化。常溫下，空氣的介電常數約為1，水的介電常數為80，而冰的介電常數為3～4。因此，當兩極板間的介質分別是空氣、冰和水時，電容器所反映的電容量各不相同。 由于溫度的改變，介質的介電常數會發生變化，電容值也會隨之改變。實驗中作者選用平行板電容器對空氣、冰和水在11～-20℃進行電容值測量，得到的結果如圖1所示。對曲線結果進行分析可以看出，由于空氣為非極性電介質，電容值隨溫度變化數值變化不大，基本保持在0.2～0.4 nF。水和冰的電容值隨溫度變化較為靈敏。從11～0℃，水的電容在21～34μF單調減小，在接近零度時，水開始結冰，因為水的物理形態由液態轉為固態的冰，其介電常數相差很大，電容值會發生一階躍跳變，在0～-20℃，冰的電容在5～68 nF單調減小。 3 冰層厚度檢測的基本原理 基于對空氣、冰與水的電容值隨溫度變化特性結果的分析，我們采用圖2所示檢測裝置實現對冰層厚度與冰下水位的連續自動化檢測。 在對河冰或海冰檢測過程中，在立體空間環境中主要涉及三種被檢測物質，即：冰上表面空氣、冰層和冰下水。如果把平行板電容器的極板面積和間距固定，讓極板之間填充被檢測的介質（空氣、冰或水），則平行板電容的電容值就由待測介質的介電常數εr決定。檢測時，將圖2中右邊涉及的平行板電容器與開關電路封裝成一柱狀裝置并垂直放置于待測點，使電容檢測裝置的極板間被冰下水、冰層和冰上表面空氣填充，每個極板與片選開關相連。通過程序控制，單片機可以控制片選電路依次選通開關1到開關n。通過電容/頻率轉換電路，將不同垂直高度的平行板電容值轉換為相應的頻率值。為了消除相對介電常數的變化對測量結果的影響，在電容檢測裝置底部設置了一個參考極板。參考極板位于水中，與電容/頻率轉換電路2相連，其他檢測極板通過片選電路，與電容/頻率轉換電路1相連。電容/頻率轉換電路1，2完全相同。單片機接收兩路電容/頻率轉化電路傳遞過來的頻率值。因為冰和水電容特性差別很大，所以從不同介質傳遞過來的頻率值差別也會很大。以參考極板的頻率值為基準，檢測極板的頻率值與其進行比較，當檢測極板與參考極板的頻率值相同或相近時，認為該極板處于水中；否則認為極板處于冰中。當相鄰極板分別處于冰和水中時，就確定出冰的下界面，同時計算出冰下水的高度。由于空氣的介電常數基本不受溫度影響，我們可以單獨量化出空氣的電容范圍，再轉化為空氣頻率范圍，并以此來判斷極板處的介質是否為空氣。當相鄰極板分別處于冰和空氣，確定冰的上界面。根據冰層上、下界面，就可以計算出冰層厚度。 4 實驗及結論 選用一種平行板電容式傳感器并按照上述思路進行冰厚測量實驗，如圖3所示。平行板極板為長1 cm、寬3 cm的長方形覆銅板，兩個極板間隔為1 mm。極板分布在固定框架的兩側，其中一側極板共極，另一側極板接入片選電路。基于電容檢測的原理，整個電極并不需要和介質直接接觸。整個傳感器是封閉的，極板及其導線都密封在固定框架中。電容/頻率轉換電路采用RC多諧振蕩電路。MSP430單片機控制片選路，分別對模擬冰水下界面和冰空氣上界面兩種情況進行了測試。在下界面測試中，冰的頻率值為2.7 MHz，水的頻率值為35 Hz。在上界面測試中，冰的頻率值為2.7 MHz，空氣的頻率值為4 MHz,如圖4～6所示。