技术领域
[0001] 本
发明涉及无线智能测量技术领域，具体涉及一种冰层厚度自动检测装置及方法。背景技术：
[0002] 冰层厚度及其变化监测是寒冷地区分析冰情、分析冰推(压)
力的重要手段，对
水工程安全运行具有十分重要的意义。目前主要的监测手段有钻孔测量法、电测法、
超声波和探地雷达等。钻孔法获取圆柱体冰样进行测量，但对钻孔设备运输及人工操作技术要求较高；电测法利用水、冰的弱
导电性、空气的电绝缘特性以及空气、冰与水的电容特性差异自动检测冰层厚度，但在具体应用时的监测
精度会受到
温度等环境的影响，同时测量不够直观，在夏季等没有冰情的时段无法对水库、河流、渠道等的水位进行监测。
超声波和探地雷达测法的具体测量精度有待提高。本发明公开的冰厚度自动监测方法和装置，在发生冰情的时段实现了冰厚度实时监测和数据的远程传输，在没有冰情的时段同样可以完成对水位的实时监测和数据远程上报。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是：在发生冰情的时段可以实时检测冰层厚度，在不发生冰情的时段可以实时监测水位，以解决
现有技术中
缺陷。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
[0005] 一种冰层厚度自动检测装置，包括固定
支架，固定支架包括一横梁，横梁上设置一支架透孔，
合金导管穿过支架透孔，在合金导管的顶端固定设置有透波密封罩，在透波密封罩内设置有测量组件；合金导管内部设置有探测线和电磁
铁，所述探测线一端连接至测量组件，另一端连接电
磁铁，固定合金导管下端连接一固定托盘，铁环套装在合金导管的外侧，行程复位
开关设置在固定托盘上且在合金导管内部；所述测量组件包括微
控制器，
微控制器分别与水位计、
编码器、
电机组件连接。
[0006] 前述的冰层厚度自动检测装置，所述铁环由中空不锈铁制成，铁环的高度与电磁铁的高度相同，其内径比合金导管大2mm，密封铁环整个重量为相同体积水的重量的1.4倍。
[0007] 前述的冰层厚度自动检测装置，所述合金导管为镍铁透磁合金管，内外管壁光滑无摩擦。
[0008] 前述的冰层厚度自动检测装置，所述铁环的上表面为与冰下表面相吻合的曲面。
[0009] 前述的冰层厚度自动检测装置，所述电机组件包括直流电机，在所述直流电机的
主轴上安装有一
定位齿轮，在所述定位齿轮一侧安装有所述编码器，所述编码器包括两个沿定位齿轮的圆周方向相隔90度
角设置的光电
传感器，两个所述
光电传感器输出的脉冲
信号通过脉冲输入捕捉
电路连接至微控制器的脉冲上升沿捕捉引脚。
[0010] 前述的冰层厚度自动检测装置，所述微控制器包括主控
制芯片，所述主控制芯片设有以下控
制模块：
[0011] 电机驱动模块：控制直流电机通电；控制电机正转或反转；
[0012] 电机
电流检测模块：检测电机电流是否发生突跳；
[0013] 电机转角检测模块：如果电机电流检测模块检测到位电机电流发生突跳，说明电磁铁触碰冰下表面，此时记录编码器读数，并计算电磁铁行程，同时通知电机驱动模块控制电机反转；
[0014] 水位计驱动及
控制模块：驱动并控制水位计工作；
[0015] 复位行程开关检测模块：检测电磁铁是否脱离复位行程开关；
[0016]
电池控制模块：检测电池
电压是否正常；控制探测线通电；
[0017] 无线传输模块：将主控制芯片获得的测量数据传送至外部设备。
[0018] 前述的冰层厚度自动检测装置，所述直流电机、探测线、编码器、主控制芯片均连接电源，所述电源包括
蓄电池，蓄电池连接
太阳能板。
[0019] 前述的冰层厚度自动检测装置，在所述透波密封罩内部设置有加温电路，所述加温电路连接至电源。
[0020] 前述的冰层厚度自动检测装置，所述水位计为超声波水位计、激光水位计、雷达水位计中的一种。
[0021] 一种冰层厚度自动检测方法，包括以下步骤：
[0022] 1)微控制器的复位行程开关检测模块检测电磁铁是否脱离复位行程开关，如果电磁铁与复位行程开关贴合，则进入步骤2)；
[0023] 2)微控制器的电池控制模块控制电源给探测线供电，从而使电磁铁接通电源产生吸力，透过合金导管吸引铁环；
[0024] 3)微控制器的电机驱动模块控制直流电机正转，直流电机通过探测线向上提起电磁铁8，同时提升电磁铁
吸附的铁环9，在提升过程中编码器完整记录直流电机主轴的转动角度；
[0025] 4)当铁环9
接触到冰层下表面时，微控制器的电机电流检测模块检测到电机电流发生突跳；
[0026] 5)当电机电流发生突跳时，电机转角检测模块此时记录编码器主轴转动总角度，通过总角度计算电磁铁行程，得到第二行程H2；
[0027] 6)当电机电流发生突跳时，电机驱动模块控制直流电机反转，放下电磁铁8及铁环9；
[0028] 7)当电磁铁8接触到行程复位开关15时，电池控制模块控制断开探测线和电磁铁电源供电，使铁环9平稳放置于固定托盘10上，同时电磁铁8与行程复位开关15紧密贴合恢复初始
位置，即合金导管11的底部；
[0029] 8)此时微控制器的水位计驱动及控制模块控制水位计3测量
探头到冰层上表面13的第一距离H1；
[0030] 9)计算冰层厚度H0：H0＝H3-H1-H2，其中，H3为设计距离。
[0031] 前述的一种冰层厚度自动检测方法：
[0032] 在步骤1)后，如果电磁铁与复位行程开关贴合，微控制器同时检测电磁铁行程，如果电磁铁行程超过设定值，则表示无冰层。
[0033] 前述的一种冰层厚度自动检测方法：
[0034] 步骤9)后，利用微控制器的无线传输模块，将主控制芯片获得的测量数据传送至外部设备。
[0035] 本发明所达到的有益效果：本发明的冰层厚度自动检测装置，水面及冰层上表面测量与水下及冰层下表面测量分开，互相不造成干扰，在发生冰情的时段可以实时检测冰层厚度，在不发生冰情的时段可以实时监测水位；技术兼容性良好，便于维护。
[0036] 同时，冰层下表面的位置测量采用传统的机械接触式
感知，创造性地采用镍铁透磁合金(坡莫合金)管作为导管，一方面其刚性材质可有效保护内部电磁铁线路及行程复位开关线路及防止水、冰压力
变形，一方面其透磁特性保证内部电磁铁与外面铁环能够牢固吸合，同时光滑内外表面可以有效减小电磁铁和铁环吸附牵引运行时的
摩擦力。
[0037] 本发明的冰层厚度自动检测装置，适用性强，可以在水库、湖泊、河流、渠道等水利设施广泛应用，不易受温度等环境因素影响，同时测量直观；测报一体，无线组网方式灵活，可选择局域网短距报送或公网广域网远距离报送。
附图说明
[0038] 图1为本发明中装置结构示意图。
[0039] 图2为本发明装置系统组成示意图。
[0040] 图3为本发明测量过程的流程示意图。
[0041] 图4为本发明中光电传感器安装结构示意图。
[0042] 图5为本发明中脉冲输入捕捉电路图。
[0043] 图6为本发明中电机正反转两相脉冲关系示意图。
[0045] 图8为本发明中直流机供电线路及电流检测示意图。
[0046] 图9为本发明中电流
采样程序流程示意图。
[0047] 图10为本发明中组网结构示意图。
[0048] 图11为本发明中铁环的三维示意图。
[0049] 图12为本发明中铁环的剖面示意图。
[0050] 其中：1-大坝，2-固定支架，3-水位计，4-透波密封罩，5-测量组件，6-支架透孔，7-探测线，8-电磁铁，9-铁环，10-固定托盘，11-镍铁透磁合金导管，12-冰层下表面，13-冰层上表面，14-太阳能板，15-行程复位开关，16-光电传感器，17-定位齿轮，18-铁环外
侧壁，19-曲面，20-空腔。
具体实施方式
[0051] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0052] 如图1所示，本发明的冰层厚度自动检测装置包括固定支架，固定支架2包括一横梁，横梁上设置一支架透孔3，合金导管11穿过支架透孔6，在合金导管11的顶端固定设置有透波密封罩4，在透波密封罩4内设置有测量组件5；合金导管11内部设置有探测线7和电磁铁8，所述探测线7一端连接至测量组件，另一端连接电磁铁8，固定合金导管11下端连接一固定托盘10，铁环9套装在合金导管11的外侧，行程复位开关15设置在固定托盘10上且在合金导管11内部；所述测量组件包括微控制器，微控制器分别与水位计3、编码器、电机组件连接。
[0053] 铁环由中空不锈铁制成，铁环的高度与电磁铁的高度相同,其内径比合金导管外径大2mm，铁环重量是相同体积水的1.4倍，从而保证受电磁铁8吸力作用下能沿合金导管11自由上升或下降，即电磁铁8、铁环9在电磁吸力作用下能同步运动。同时考虑到冰下表面受合金导管11的影响，在与合金导管11接触部位存在一定的曲面，因此铁环9上表面与合金导管11接触部位也根据冰下表面的情况作适当修形，确保铁环9上表面与冰下表面形状吻合良好。
[0054] 所述合金导管为镍铁透磁合金导管，合金导管11的长度根据测点处历史最大冰厚、管口安装位置，同时预留一定的富裕深度确定。镍铁透磁合金(坡莫合金)导管，其一般由20％铁和80％镍组成的合金，具有高磁导率。
[0055] 所述固定机构包括若干固定支架2，所述固定支架2与固定物体连接，所述固定物体包括大坝、河岸、进水塔上游直立面中的一个或多个。
[0056] 如图2所示，所述微控制器包括主控制芯片，所述主控制芯片以下控制模块：
[0057] 电机驱动模块：控制直流电机通电；控制电机正转或反转；
[0058] 电机电流检测模块：检测电机电流是否发生突跳；
[0059] 电机转角检测模块：如果电机电流检测模块检测到位电机电流发生突跳，说明电磁铁触碰冰下表面，此时记录编码器读数，并计算电磁铁行程，同时通知电机驱动模块控制电机反转；
[0060] 水位计驱动及控制模块：驱动并控制水位计工作；
[0061] 复位行程开关检测模块：检测电磁铁是否脱离复位行程开关；
[0062] 电池控制模块：检测电池电压是否正常；控制探测线通电；
[0063] 无线传输模块：将主控制芯片获得的测量数据传送至外部设备。
[0064] 所述直流电机、探测线、编码器、主控制芯片均连接电源，所述电源包括蓄电池，蓄电池连接太阳能板。
[0065] 在所述透波密封罩内部设置有加热电路，所述加温电路连接至电源，在主控制芯片上设置有电加热控制模块，用于控制加热电路工作。因本发明的冰层厚度自动检测装置在冰层下表面工作，而冰情监测工况决定了相关设备均工作在严寒地区，在一些-20℃以下极寒地区，需要在透波密封罩内运用间歇性智能电加热器，以保证主要设备的正常运转。冰层厚度自动监测装置在微控制器的主控制芯片上连接有温度传感器以获取密封盒体内的实际温度，同时配备了直流12V电加热器，通过间歇性加热控制以保证核心设备的工作
环境温度要求，同时可以最大限度节约电池耗电量。
[0066] 所述水位计为超声波水位计、激光水位计、雷达水位计中的一种。层上表面或水面的位置获取采用非接触测量方法，如超声波、激光或雷达水位计。因超声波及激光受温度及环境影响较大，综合考虑选择精度及稳定度较高的雷达波测冰面、水面位置的方法。
[0067] 如图4所示，所述电机组件包括直流电机，在所述直流电机的主轴上安装有一定位齿轮，在所述定位齿轮一侧安装有两个光电传感器16，两个光电传感器沿定位齿轮的圆周方向相隔90度角设置；所述光电传感器通过脉冲输入捕捉电路连接至微控制器；所述编码器安装在直流电机上。
[0068] 为了测算防锈铁饼的实际上提行程以及检测提升中的运行状态，在直流电机的主轴上安装了一个具有30个齿的定位齿轮，在定位齿轮旁间隔90°的地方安装两个光电传感器，如图4所示，保证一个在透光的时刻另一个处于不透光的状态，根据两个光电传感器的信号可以判断电机是否在运转以及是正转还是反转。光电传感器采用日本松下的CNA1011K(ON1113)，它是透射式光敏中断型传感器，采用3V供电，反应灵敏，响应时间少至6μs，同时具备耐低温特性，其产生的信号由如下脉冲输入捕捉电路进行接收并传递到主控制芯片MSP430F5438A相应的可接收实时中断的I/O口中。
[0069] 如图5所示，所述脉冲输入捕捉电路包括第一检测电路和第二检测电路，所述第一检测电路，包括
正交编码器两个光电传感器的输出脉冲信号
端子J3的端口2依次与抗干扰
磁珠L1、
电阻R35
串联后与
三极管Q1的基极连接，输出脉冲信号端子J3的端口2同时还连接电阻R27，电阻R27另一端接
电源电压，电容C14与电阻R39并联后，两端分别连接三极管Q1的基极和发射极，同时三极管Q1发射极接地，三极管Q1的集
电极分别串联连接电阻R29、电阻R31后与触发器U13A的端口1连接，三极管Q1的集电极同时连接电阻R37，电阻R37另一端连接电源电压，电容C16和电容C18的一端分别连接于电阻R31的两端，电容C16和电容C18的另一端均接地，触发器U13A的2号端口为数据输出端；
[0070] 所述第二检测电路包括三极管Q2，输出脉冲信号端子J3和触发器U13F，所述输出脉冲信号端子J3的端口3与依次与抗干扰磁珠L2、电阻R36串联后与三极管Q2的基极连接，输出脉冲信号端子J3的端口3同时还连接电阻R28，电阻R28的另一端接电源电压，电容C15与电阻R40并联后两端分别连接三极管Q2的基极和发射极，同时三极管Q2发射极接地，三极管Q2的集电极串联连接电阻R30、电阻R32后与触发器U13F的端口13连接，三极管Q2的集电极同时连接电阻R38，电阻R38另一端连接电源电压；电容C17和电容C19的一端分别连接于电阻R32的两端，电容C17和电容C19的另一端均接地，触发器U13F的端口12为数据输出端。
[0071] 芯片CD40106是16进制
施密特触发器，采用3～15V供电，输入端有
二极管钳位保护，具有很高的噪音抑制功能，内部的N/P
沟道增强型晶体管可以大大增加驱动性能，对于脉冲捕捉这种对外部信号本身强弱以及外部干扰非常敏感的电路来说，CD40106非常适合应用其中对采集的信号进行处理和转换,相关脉冲输入捕捉电路如图5所示。
[0072] 冰层下表面位置获取的设计方法是本冰层厚度自动监测装置的核心，冰层厚度自动监测装置微控制器电路采用美国德州仪器的低功耗控制器MSP430F5438A作为核心，其芯片采用低功耗设计，具有多路串口、片内FLASH、片内12位A/D转换器及16引脚外部中断输入。MSP430F5438A非常适合于设计应用在野外工作的需要低功耗值守待机的场合，其工作在睡眠模式LPM4状态下的电流消耗低至1μA以下，在睡眠模式下的中断响应在5μs左右，芯片的
工作温度范围为-40℃～+80℃，基本可以满足国内不同地区的实际户外工作条件。
[0073] 正交编码器又名
增量式编码器或光电式编码器，用于检测旋转运动系统的位置和速度，对电机实现闭环控制。典型的正交编码器包括：一个放置在电机
传动轴上的开槽的轮子和一个用于检测该轮上
槽口的发射器/检测器模块。通常，正交编码器有三个输出，分别为：
相位A(QEA)、相位B(QEB)和索引(INDEX)。
[0074] 相位A和相位B间的关系是唯一的：如果相位A超前相位B，那么电机正向旋转，如果相位A落后相位B，那么电机被认为是反向旋转，电机正反转脉冲相位关系如图6所示。索引脉冲每转一圈产生一个脉冲，在本发明中无需使用索引脉冲，在已知轮上槽口数量的
基础上，只需要在采集A相或B相脉冲的时候做相应的计数就可以准确地知道电机传动轴实际转了多少角度，从而可以再进一步根据执行机构
传动比知道冰层下的铁饼在电磁铁的吸引下实际向上移动多少位移碰到冰层。
[0075] 如图7所示，在程序设计中，使用了两个变量qeaval和oldqeaval，当微控制器1口输入脉冲捕捉中断时，qeaval＝1，当另一2口输入脉冲捕捉中断时，qeaval＝2。每次进入1口(A相)和2口(B相)输入脉冲捕捉中断时，比较qeaval和oldqeaval，如果不相等，则脉冲值有效，脉冲计数变量HallCnt加1，同时将本次qeaval值赋给oldqeaval。
[0076] 实际测量中冰层下表面位置检测是通过力(矩)敏感检测电路实现的，具体体现为电流的变化，即通过监测直流电机中的流经电流I的大小及突变实现的，微控制器电路中的电机电流检测电路是由微控制器片内的A/D
模数转换器实时采集通过直流电机的电流而实现相关位置判断的，正常的提升行程中，内部电磁铁及外部铁环主要克服自身重力及水的阻力，直流电机中的电流变化不大，当铁环触及冰层下表面时，由于冰层阻碍电机继续提升铁环，直流电机输出功率短时增大，电流增大，MSP430F5438A芯片第6脚P7.5/A13处输入12V直流电机中电流I通过相关高精度电阻产生的模拟压降V,通过微功耗处理器内部的12位A/D模数转换器不断进行模数转换，产生
数字量化的信号从而判断电机的工作状态。DC直流电机供电线路及电流检测如图8所示。
[0077] 在微控制器对电机驱动电流的采集过程中，连续的电流
模拟信号采集可能会受到各种各样的干扰，从而使
输入信号的测量值大大偏离真实值。如果微控制器直接读取该数据并进行运算处理，将会对系统的准确性造成一定的影响。通常情况下，可以将获得的数据先行进行某些处理，再对处理后的数据进行预定的运算，从而获得可信度较高的结果。数字滤波就是一种非常简单有效的方法。
[0078] 本发明中采用的数字滤波方法为算术平均滤波-对目标参量连续采样N次，然后将采样到的N个值进行算术平均，将结果作为本次的采样值。为了排除直流
母线上的电压脉动干扰，采用数字滤波的方法做抗干扰处理：连续取20次采样值然后求算术平均作为本次采样的可信结果。其程序流程图如图9所示。
[0079] 完成冰层上表面及下表面的位置获取后，在微控制器内自动将冰层厚度计算出来，并根据设定的冰层厚度上限
阈值进行远程数据上报、远程报警。在出现超限情况下，装置可智能调整定时测量时间以加密测次，进一步
跟踪冰层实时变化情况。
[0080] 本发明的冰层厚度自动监测装置具备良好的无线网络兼容性设计。随着国内运营商无线公网
覆盖地域的进一步扩大，绝大部分地区均有蜂窝信号覆盖，因此冰层厚度自动监测装置一般采用公网作为数据传输途径，如GPRS、CDMA、4/5G、NB-IoT等。在没有网络信号的地区可以应用LoRa及ZigBee等短距无线组网技术进行无线数据传输。中心冰情采集显示及分析计算机及相关管理人员手机都能够接收到冰情报警短信及微信通知。冰层厚度自动监测装置的组网示意图如图10所示。
[0081] 如图3所示，本发明的一种冰层厚度自动检测方法，包括以下步骤：
[0082] 1)微控制器的复位行程开关检测模块检测电磁铁是否脱离复位行程开关，如果电磁铁与复位行程开关吸合，则进入步骤2)；
[0083] 2)微控制器的电池控制模块控制电源给探测线供电，从而使电磁铁接通电源产生吸力，透过合金导管吸引铁环；
[0084] 3)微控制器的电机驱动模块控制直流电机正转，直流电机通过探测线向上提起电磁铁8，同时提升电磁铁吸附的铁环9，在提升过程中编码器完整记录直流电机主轴的转动角度；
[0085] 4)当铁环9接触到冰层下表面时，微控制器的电机电流检测模块检测到电机电流发生突跳；
[0086] 5)当电机电流发生突跳时，电机转角检测模块此时记录编码器主轴转动总角度，通过总角度计算电磁铁行程，得到第二行程H2；
[0087] 6)当电机电流发生突跳时，电机驱动模块控制直流电机反转，放下电磁铁8及铁环9；
[0088] 7)当电磁铁8接触到行程复位开关15时，电池控制模块控制断开探测线和电磁铁电源供电，使铁环9平稳放置于固定托盘10上，同时电磁铁8与行程复位开关15紧密贴合恢复初始位置，即合金导管11的底部；
[0089] 8)此时微控制器的水位计驱动及控制模块控制水位计3测量探头到冰层上表面13的第一距离H1；
[0090] 9)计算冰层厚度H0：H0＝H3-H1-H2，其中，H3为设计距离。
[0091] 在步骤1)后，如果电磁铁与复位行程开关吸合，微控制器同时检测电磁铁行程，如果电磁铁行程超过设定值，则表示无冰层。
[0092] 由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
