基于光纤位移检测原理的静冰压力传感器的设计与研究

在高纬度地区冬季结冰期,水电大坝、水库等水工建筑物要承受由于温度变化引起冰体积膨胀而产生的静冰压力的挤压,如果对静冰压力估计不足,水工建筑物往往会遭受严重损坏.提出了一种基于光纤位移检测原理的静冰压力传感器结构,介绍了静冰压力传感器机械结构与数据处理电路的设计思路和工作原理,分析了静冰压力与冰层厚度和冰层温度的关系,对传感器的现场实验数据进行了初步的分析.     

基于光纤光栅测量静冰压力的应用研究

静冰压力是指冰层在升温膨胀受到约束的条件下,对约束体产生的压力.它是高寒地区水工建筑物的一种特殊载荷,也是冰科学和冰工程研究中最关键的物理指标之一.主要介绍了几种测量与确定静冰压力的方法及其存在的问题,并着重研究了适合测量静冰压力的光纤光栅传感器的工作原理和结构设计,提出了静冰压力在线检测系统的设计方法,解决了光纤光栅压力传感器的温度补偿问题.通过初步的研究表明,基于光纤光栅的静冰压力传感器具有尺寸小、分布式绝对测量、抗腐蚀能力强、抗干扰、适合于定点连续自动监测等优点.     

强度调制型光纤静冰压力检测电路的设计

针对静冰压力检测的工程适用现状,设计了一种低功耗,全天侯自动检测系统.该系统基于反射式强度调制型光纤传感器,由光发射电路、光接收电路、AD转换电路、单片机电路以及数据存储电路等组成.对该光纤静冰压力的检测电路进行了实验测试,实验结果表明,检测系统电路可实现从作用于传感器压力敏感元件的微弱静冰压力变化到信号采集端的显著电压值变化及其自动检测.     

基于DS18B20的冰层温度梯度-厚度传感器的设计

根据高寒地区河流结冰时,河道冰情监测点垂直柱面内空气、冰与水三种介质所表现出的不同温度特性,设计了基于DS18820温度传感器的高显示分辨率冰层温度梯度一厚度自动化检测传感器,传感器内部采用单总线结构,通过MSP430单片机的控制实现了温度梯度各监测点的数字化数据采集,使传感器具有结构简单、功耗低、抗干扰能力强等优点.将新型传感器安装在内蒙古三湖口黄河河道并进行了连续两个月的现场冰情数据采集试验,传感器获得了黄河河道监测点系统的温度梯度数据.通过对采集获得的冰层温度梯度数据的进一步分析,可以全面掌握河道冰层变化的状况,实验结果表明这一新的冰层温度梯度一厚度传感器是一种更加适应于工程应用的冰情检测设备.     

同面多极电容感应式冰层厚度传感器的设计及应用

同面多极电容感应式冰层厚度传感器是基于空气、冰与水不同的介电特性,通过对空气层、冰层和冰下水层电容值进行分层测量,从而实现对冰层厚度与水位高度自动检测的一种新型冰情检测传感器.主要融合了单片机技术和电子信息采集,处理,转换技术.利用Maxwell软件对其机理进行仿真,对实验数据进行分析,论证了同面多电极电容感应式冰厚传感器的测量原理;通过分析该传感器在黄河内蒙段的现场检测数据,证明该传感器具有准确度高、误差小、稳定等优点,并能在低温、辐射和强烈振动等恶劣环境下工作,非常适合野外环境中使用.     

固体边壁上点面脉动压力转换的数学推导

利用相关分析方法 ,详细讨论了作用于水工建筑物的平面、柱面和球面上的边壁脉动压力的点面转换关系 ,推导出面脉动荷载的解析表达式 .该成果对工程设计工作具有指导意义     

电磁探测技术在冰层厚度检测中的应用探究

根据海冰、内陆湖泊、河流、冰川等冰资源与环境中的自然科学问题及冬季结冰地区水工结构物安全运行管理中对冰层厚度时空变化资料的需求,基于电磁场的特有性质,讨论了可用于冰层厚度检测的两种电磁探测方法-时间域电磁法和频率域电磁法,较详细讨论了它们的工作原理、研究进展、适用范围和在冰层厚度检测中获得的初步应用结果,并通过对实际测量结果的分析比较,提出了频率域电磁法,相对于时间域电磁法,在冰层厚度检测中具有更多的优势.     

基于ZigBee技术的黄河河道冰情多点监测系统设计

针对黄河河道冰情的多点监测问题,提出了一种基于ZigBee技术的河道冰层厚度多点监测系统的设计方案,简要介绍了ZigBee技术的主要特点,冰层厚度传感器结构与检测原理,提出了基于ZigBee的黄河河道冰情多点监测系统结构,讨论了监测系统硬件与软件的设计思路,利用系统可以实现黄河河道局部区域内多点冰情远程无人连续自动监测.     

基于介质温度数值分布规律的冰盖厚度检测分析方法

针对水文预报领域冰层厚度检测过程中对空气与冰层、冰层与冰下水层的分界点难以判断的难题,提出了一种基于介质温度数值分布规律的冰层厚度检测分析方法.新方法在对空气与冰层、冰层与冰下水层的分界点进行分析判断时采用了聚类分析思想,通过采用改进属性归类规则的K-means算法,对采集到的空气、冰与水不同介质的温度数值分布数据进行分类,并对各自属性的温度梯度分布数据集合进行线性拟合,从各拟合曲线交点可以获得空气与冰层、冰层与冰下水层的分界点,进而计算出冰层厚度数值.采用这一方法对2014.12-2015.3内蒙包头黄河河道冰情采集数据进行分析,证明了新方法的可行性.     

黄河河道冰水情定点连续自动检测及数据分析

根据黄河中上游流域冰水情监测以及预防凌汛灾害的需求,设计了一种适合黄河河道的冰水情自动测报系统.该系统由基于空气、冰与水电阻特性差异的冰层厚度传感器、DS18B20的温度梯度传感器以及智能处理仪构成.采用该系统在内蒙托克托县黄河河道进行了黄河封冻期河道冰层厚度连续监测试验,获取了大量的现场实测数据,对采样数据进行分析,提出了判别冰层厚度的平均滤波算法,实现了对冰层生消变化全过程的自动监测.     

二层不同密度流体作用下的地震动水压力

研究了多泥沙河流中的水工建筑物受地震影响后,在异重分层次流体作用下的地震动水压力.考虑到具有铅直坝面的坝体在地震作用下,刚性地作垂直坝面方向的微幅简谐振动.因此假定河床水平,流体理想不可压缩,上下二层流体密度不同,从而得到一个有连接条件的混合边值问题的拉普拉斯方程.然后利用分离变量法以及共轭函数的方法,得到了方程的广义傅氏级数解.通过对该结果的定性分析,最后得到了异重分层次流体作用在坝面上的动水压力的变化规律性,这些结论具有重要的理论与应用价值.     

基于冰与水等效电阻值差异的冰情检测原理及其在河冰检测中的应用

通过实验分析了冰在生长与消融过程中所表现出的电阻特性,提出了冰随温度变化呈现出的低阻区与高阻区现象.在此基础上介绍了"基于空气、冰与水的等效电阻值差异的冰情检测原理",以及基于这一原理设计的"R-T冰水情自动检测传感器",通过对传感器在中国北方地区黑龙江河河道冰情现场检测中的采集数据分析,提出了冰结构对冰等效电阻的影响效果.     

多元线性回归模型的漠河站开河预测

在黑龙江漠河站的天然河道,开河时期的冰坝和凌汛形成的机制复杂.目前许多冰动力学模型很难模拟和预报开河期,常用的的预报一般采用传统的统计学方法和经验判别式法.为应对严重的防凌形势,需要找到冰情预报的全新方法.提出了一种多元线性回归模型的方法.方法要求有冰层厚度、温度、降水量及与开河密切相关的冰情相应参数.冰层厚度、温度可以从实验室研制的温度梯度传感器测得相应的参数.预报方法应用在黑龙江漠河站的天然河段上,效果较好.     

非圆形水工衬砌隧洞与横观各向同性岩体在光滑接触下的解析分析

提出了横观各向同性岩体中的非圆形水工衬砌隧洞在各向同性衬砌与岩体处于光滑接触条件下的解析方法.基于复变函数理论,通过建立两种介质在光滑接触边界上的力和位移连续关系以及衬砌自由边界的水压力边界条件,考虑衬砌支护滞后效应并使用幂级数解法获得解析解.针对倾斜结构面岩体中的马蹄形水工衬砌隧洞,使用解析和数值方法验证了解析解的正...     

电阻电路分析方法在冰水情自动监测中的应用

电阻元件特性和包含电阻元件的电路分析是电路理论中最基本的分析内容和电路分析方法之一.根据冰水情工程检测中的客观环境条件,利用空气、冰与水的等效电阻随温度变化所具有的数值差异这一特点,将电路理论中电阻电路分析方法应用于冰水情工程检测中,提出了将检测环境分层处理的思路,应用线性电路理论中电阻分压的原理,通过对各分层介质等效电阻的检测、计算,反推出被检测介质的物理形态,进而实现对冰层内部物理状态、冰层厚度与冰下水位连续监测的目的.基于这一新的检测原理,作者研制成功新型R-T(电阻-温度梯度)冰水情自动检测传感器及其检测系统,并在南极海冰观测、黄河中上游河道冰水情定点连续监测、高寒地区河道与水电大坝冰情预警与水文信息自动测报等多个重大工程领域获得应用,为解决南极科学考察、黄河冰凌灾害预报、高寒地区河道、水电大坝、湖泊等领域冰情自动监测难题提供了一种新的检测方法与实现途径.     

黄河万家寨水利枢纽水库冰情定点连续自动监测系统的设计与应用

基于空气、冰与水的物理特性差异实现对冰水情连续自动检测的原理,作者设计、研制了适应高寒地区水电大坝冰情定点连续监测的冰水情自动检测传感器与信号采集系统,通过在黄河万家寨水利枢纽水库现场对冰情近4个月的冬季连续试验,获取了水库冰层内部系统的冰水情数据,采集数据客观反映了水库库区监测点冰层生消变化的规律,为确保引黄入晋工程的安全运行,也为高寒地区河道与水电大坝的冰情预警提供了一种可行的检测方法与设备.     

冰层厚度探测的频率域电磁法研究

根据冰层厚度探测的实际需要,研究了频率域电磁法的冰层厚度探测系统.系统是利用频率域电磁法的基本原理设计,同时,利用椭圆率来消除一次场的影响,可实现一次和二次磁场的分离提取、数据采集等模块功能.并且在实验室对传感器的电流发射部分和数据接收部分进行了试验,与理论数据进行比对.实验结果表明,系统可实现冰层厚度检测和生消变化过程检测.     

基于PS021的电容式冰层厚度检测系统的设计

根据空气、冰和水的电容特性差异,本文设计了一种新型的电容式冰层厚度检测系统.该检测系统应用了德国acam公司的电容数字转换器PS021,可以把电容式传感器采集到的电容信号转换成数字信号输出.黄河的现场实验数据分析结果表明,系统结构简单,可靠性高,可以应用于冬季河道冰层厚度及冰下水位的定点、连续自动测量.     

含水合物油包水管道输送体系压力波速研究

考虑水合物的相变、油相的压缩性、频率、虚拟质量力及体系的温度和压力的影响,建立了含水合物油包水体系的压力波速方程.研究结果表明,输送过程中水合物对体系的压力波速影响很大,在水合物分解区域,气体的出现使体系的压缩性大幅增加,压力波速急速降低;反之,在水合物生成区域,体系的压缩性减小,压力波速增大.随油水比、管径、温度的减小,压力波速均呈现减小的趋势;随压力、油相密度增加,压力波速呈现增大趋势;压力及温度通过影响水合物的分解速度,对体系压力波速产生影响.     

功能梯度压电圆柱体的旋转分析及其应用——内压和热荷载作用下的力学传感器

对旋转的功能梯度压电(FGP)圆柱体,进行了精确的热弹性分析．圆柱体同时承受电、热和力学荷载的作用,这是一个旋转传感器或者调节器的简化模型．应用能量法得到系统的控制微分方程．为了正确地评估能量函数,引进了一个被称为“附加能量”的新项．在两种边界条件下:自由旋转的圆柱体和受内压作用的圆柱体,求解所得到的控制方程．研究角速度对各个物理量沿半径分布的影响．所研究的结构也可以认为是,在压力及热荷载作用下,测量圆柱体角速度的一个传感器．结果表明,电势与角速度成正比例关系．