基于磁致伸縮原理的位移傳感器具有高精度、高穩定性、多位置測量的特點 ,據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. 該儀器被應用到低溫實驗室冰厚和南極固定冰區冰雪厚度的測量中. 實驗室歷時 540 h ,測量精度 ±0. 13 cm ;現場應用持續 6 個月 ,測量精度 ±0. 20 cm. 高精度的測量數據 ,特別是現場測量數據 ,為分析冰厚變化的細微過程提供了基礎 ,為深入研究氣2冰2海耦合過程 ,完善海冰熱力學數值模型提供了支持. 另外 ,該儀器還能為冰工程領域的研究提供技術支持.
海冰是氣候變化的指示劑 ,極地冰區是影響氣候變化的關鍵區域 . 同時 ,冰荷載是寒區水利工程、海岸和海洋工程設計的控制荷載之一 ,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環境科學研究中 ,冰厚是最基礎的參數之一 ,目前建立的冰物質平衡預報模式 ,需要大量實測冰厚數據作為模式計算的初始條件和結果檢驗依據 ; 在冰工程中 ,冰厚是計算海冰對海工建筑物作用力的關鍵指標之一 . 已有冰厚測量技術中 ,鉆孔和熱電阻絲的接觸式測量可靠 ,但因其勞動強度大 ,不能實現連續觀測. 系泊仰視聲納被認為是定點冰厚自動化觀測的設備 ,但實踐證明其典型精度只有 20 cm ,相對精度 11. 5 % . 此外 ,還有衛星遙感、雷達測量、電磁感應測量等自動化觀測技術 ,但它們的精度都不能滿足工程設計和管理的需要 ,只能在大面積的冰厚觀測中發揮作用 .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、不能實現連續自動測量的缺點. 本文介紹該儀器的測量原理 ,給出其在實驗室和南極現場應用的運行性能分析 ,證實其在低溫環境下的適用性.
1 工作原理
鐵磁質磁化方向的改變會引起介質晶格間距的改變 ,使得鐵磁質的長度和體積發生變化 ,此即磁致伸縮現象 ,也稱為威德曼效應 ,其逆效應稱為維拉里效應. 磁致伸縮絲為波導鋼絲 ,在脈沖電流激勵下會形成環形磁場 ,并與磁環的永磁場相交 ,因威德曼效應 ,產生周向機械扭轉變形 ,并以扭力波的形式向兩端傳播. 當回波到達檢出機構時 ,因維拉里效應 ,在線圈兩端產生感應電脈沖. 通過電路設計可得到激勵脈沖到回波感應脈沖的時間t ,則磁環與檢出機構的距離 L = v ·t , v 為扭力波傳播速度. 當前廣泛應用于活塞位置測量、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展而來的. 與電磁波/ 聲波測距技術相比 ,因為磁致位移傳感器所檢測的扭力波波速在不同環境下變化不大 ,時間檢測容易實現 ,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 ,可實現多位置測量. 利用磁致位移傳感器技術 ,并考慮到特殊的應用環境要求 ,本文研制了一種接觸式冰雪厚度測量儀 . 冰雪厚度測量儀設計期望的綜合精度為 ±0. 2 cm ,測量間隔在 10～180 min 可調 ,工作環境溫度為 - 55 ℃. 儀器箱和測量桿是測量儀的兩個主要部件. 它們之間用導氣管和電纜連接 ,導氣管用于連接氣缸和下磁環機構內的氣囊 ,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. 測量桿由兩根導熱性較低的 PPR 管包裹 ,導氣管從其中一根測量桿內通過 ,傳感器的磁致伸縮絲則裝在另一根測量桿內. 儀器的測量過程主要是通過控制兩個可活動磁環運動完成. 測量時 ,上磁環機構向下運動 ,放置在冰/ 雪面上 ;下磁環機構通過氣動方式控制 ,當氣缸壓縮空氣時 ,磁環機構內的氣囊膨脹 ,下磁環機構浮起 ,與冰底面接觸. 這時探測上、下活動磁環與固定磁環的距離 ,與初值比較 ,得到冰/ 雪表面和冰底面的位置. 測量完畢后 ,上磁環機構在卷揚機牽引力的作用下向上運動 ;隨釋放氣缸壓力 ,氣囊收縮后下磁環機構下沉到測量桿底端.
2 應用性能分析
2. 1 實驗室應用
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據的可靠性. 給出了儀器和熱電阻絲測量裝置同時刻的測量結果 ( X 和 Y) . 實驗歷時 250 h 壓縮機停止工作后 ,水槽內冰層增長速率出現空間差異 ,壓縮機恢復工作后 ,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. 儀器測量數據可靠 ,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 ,假設冰生長速率在 12 h 內為一定值 ,以12 h 為時間窗對測量結果作線性濾波 ,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準差 ,取它們的和作為誤差. 給出了測量數據的正、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 ,優于儀器期望的綜合精度 ,達到預想效果.
2. 2 現場應用
在實驗室應用的基礎上 ,對儀器進一步改進后 ,將其應用于中國南極中山站附近固定冰區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 ,測量間隔設定為 180 min , 個別天數采用 120 min. 表 1 總結了儀器運行過程中所經歷的現場環境條件.觀測至 2006209221 結束. 根據現場觀測 ,該區域冰面雪蓋日累積量小于 10 cm ,冰底生長率小于 3 cm ·d - 1 ,所以當冰/ 雪表面測量值與當天測量均值相差大于 10 cm ,冰底測量值與當天測量均值相差大于 3 cm 時 ,數據視為奇異值. 奇異值均為機械部件故障引起. 這些故障在現場能被發現和處理 ,引起的奇異值也都能被識別. 下磁環機構工作有效率為 93. 7 % ,上磁環機構工作有效率為 92. 6 %.為了驗證儀器測量數據的可靠性 ,在儀器周邊 2 m 半徑范圍內共進行了 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 ,可認為儀器測量數據是可靠的.假定日內海冰生長率不變 ,采取實驗室測量數據精度分析方法 ,對儀器現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 新技術現場觀測數據的優勢分析
海冰熱力學數值模擬結果表明極地海冰穩定生長期的生長率每天只有幾毫米 ,但這些結論尚缺少實際觀測數據支持. 如果使用多日間隔的冰厚度測量數據 ,就難以反映模式中氣象或水文強迫的短時效應. 因此 ,如何觀測到毫米級的冰厚數據成為了海冰熱力學研究的"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鍵參數. 現場觀測時 ,積雪厚度由上磁環的觀測數據得到. 2006207230 至 2006207231 ,中山站地區經歷了當年降雪過程 ,因降雪后出現了大風天氣 ,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 ,儀器準確地捕捉到了雪厚在這其間經歷的快速變化過程 ,這對于傳統的花桿測量來說 ,因其測量頻次較低 ,是難以實現的.
3 結 論
通過多種方法證實了磁致位移測量儀測量數據的可靠性. 儀器能同時測量冰底面和表面的變化過程 ,在低溫實驗室和現場應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研究向精細發展的“瓶頸”問題提供了基礎. 通過儀器在南極中山站的應用 ,觀測到天文潮對該區域固定冰生長的影響即使在冬季也不能忽視的現象. 該儀器適用于極區、亞極區非變形海冰 ,高緯度地區河冰、水庫冰 ,和實驗室冰厚無人值守的連續測量.目前測量環境對儀器測量精度的影響主要體現在惡劣環境可能使儀器出現機械故障 ,然而這些缺陷將來是可以通過機械部件的優化設計得以彌補的.
