CN1094812A

CN1094812A - 对固体材料表面上的液体水和冰层的检测设备与方法

Info

Publication number: CN1094812A
Application number: CN93120674A
Authority: CN
Inventors: L·G·斯托拉齐克; G·L·斯托拉齐克
Original assignee: Rim Tech Inc
Current assignee: Rim Tech Inc
Priority date: 1992-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1994-11-09
Also published as: AU5205793A; US5686841A; CA2110188A1; EP0600357A1; ZA938891B

Abstract

一种测量系统，包括：一个天线，用于放在受到冰和/或水层积累的表面位置，并具有一个谐振频率和含有实数项的输入导纳；与该天线耦合的麦克斯韦电桥装置，用于检测所述谐振频率、所述输入导纳和所述实数项；以及频率扫描装置，用于在接近于所述谐振频的多个频率上驱动天线，其中所述谐振频率、所述输入导纳和所述实数项可以被确定。

Description

一般地说，本发明涉及运输安全设备和装置，具体地说，是涉及能检验和测量液体水和/或冰累积层（如在道路、桥梁、飞机机翼以及发射前的空飞行器等表面上可能发生的那样）的设备。再更具体地说，本发明还涉及能确定湿度和电参数变化对现场煤层遥感测量的影响的仪器。

在低温的燃料槽、机翼表面和公路上会在未预料的情况下发生结冰，并对运输造成灾害性状况。

在NASA（国家航空航天局）的航天飞机计划中，在低温燃料舱上结冰是一个令人关注的安全问题。当把助推火箭上的密封燃料舱填充之后，除非结冰厚度达到或超过0.25英寸，否则将继续倒计时阶段。到目前为止，结冰深度的测量是手工进行的，由工人刮掉冰层并测量冰层的厚度。在大型直立运输工具上，例如在航天飞机上，由于实际到达它上面去的困难，限制了这种测量的次数。

在华盛顿特区、科罗拉多的丹佛、纽芬兰以及最近在欧洲发生的商业航线的空难，被怀疑是由于飞机机翼上集结冰和雪造成的。在为减轻冰和雪的潜在危险所进行的保护性努力方面，航空维护队一概在机翼表面喷撒防冻和去冰液体，例如乙二醇，有时不管是否实际存在冰。在坏天气操作条件下，经常由于天气减少了能够起飞和着陆的飞机数量而使飞机起飞延迟，这只能加剧了结冰问题，因为这可以有更多的时间使在机翼上结冰达到危险厚度。这就减少了飞机在起飞前的保持（hold）时间。为了防冻，可以在机翼表面喷撒乙二醇液体。抗冰的乙二醇液体喷在机翼表面形成一层，用于在起飞过程中清除机翼。随着雪或雨的不断积累，抗冻混合物的冰点温度升高。在滑行和保持期间，抗冰液体的有效性受到损害。飞行员对他的飞机表面能看到的部分是很有限的。正等待起飞的飞行员们需要一种可靠的传感器技术，这种技术能确定极其重要的机翼表面是否已受到损害。任何冰层厚度、雪厚度、以及污水（shush）-乙二醇混合物的厚度都是飞行员希望得到报告的重要数据。必须知道防冰层的冰点。

在结冰条件下的一般飞行操作通常是利用去冰技术来除掉机翼表面上危险的冰层。在飞行过程中，冰倾向于在飞机上层结构（supperstructure）的前缘和其他突出部分上形成。多年来已经发展了去冰技术，包括气动水泡（pneumatic Bladder）、加热元件、以及超声传感器。这种技术在操作过程中要求使用飞机内的燃料。一个自动启动去冰的传感器会节省成亿（美）元的燃料费用。

道路在结冰和造成汽车事故方面也是出了名的。最具有灾害性的冰层是那些难于看见的、没有预料到的或不规则的冰层。例如，在通往桥梁的通道上，在出现冰冻状况很久之前就会在桥上形成所谓“黑冰（black ice）。”国家公路系统的安全取决于路面和车辆轮胎保持好的摩擦。小水坑也能使轮胎从路面滑脱。这种水使自旋的轮胎在水上滑行，从而使车辆在没有警告的情况下失去转弯和制动能力。在路面和桥梁上的黑冰和水上滑行，是公路事故的首要原因。如果采用了传感器检测桥梁上的黑冰和水上滑行状况以及结冰状况，那么公路的安全性就会改善。于是能自动点亮通路警告信号并启动去冰技术，如在道路表面的加热线圈（heating Coils）或其他技术来改善驾驶条件。

能被测量的材料层包括天然介质如煤层。如果能得到这种测量，则会改进煤层切割过程。某些煤层含有不同的湿度，而这种可变性影响以导电性为依据的厚度测量。因此需要实验确定测量参数与厚度的关系。

曾发展了许多种先有技术，但由于它们在多变的气候条件下测量结冰状况的能力不可靠而被放弃了。其技术问题之一与表面上冰、雪和水状态的鉴别有关。另一个问题与抗冻混合物的冰点测定有关。测量复盖层物质厚度是另一个问题。这种测量依赖于具体层位的电参数。由于在一些煤层中的湿度会发生变化，需要一种测量层中电参数的方法。同样的技术对于确定抗冻混合物冰点也是需要的。传感器耐久性是又一个问题。例如，凸出的传感器测量机翼表面结冰状况可能并不可靠。需要能够牢靠地安装上去的嵌入式（flush）传感器。这样的传感器还必须与它所监测的周围表面的热力学性质相容。

对微带天线（microstrip antenna）的理论与实验研究表明，可以做得使天线的终端导纳（terminal admittance）依赖于天线上复盖的冰、雪、水、水-乙二醇或煤层的厚度、介电常数及电导率。其背景技术可参见1991年12月10日授予二个本发明人Larry G.Stolarczyk和Gerald L.Stolarczyk的美国专利5，072，172号，特别是其中关于图10中飞机机翼截面的讨论。微带天线的典型结构是在相对介电常数（εr）大于2.2的基片上构成导电层。随着介电常数的增大，天线的必需的物理尺寸便可减小。相对介电常数的典型值从DUROID^TM的2.2变化到TMM-10^TM的9.8左右，这类基片材料有较低的温度系数。更高介电常数的基片在技术上是可能的。一个微带缀片（Patch）可以是园形、矩形或螺旋形。螺旋形可以认为是窄的矩形线，其辐射沿微带线的边缘发生。螺旋形可能对冰厚度更敏感。

由本发明人对共振微带天线传感器的理论和实验研究表明，由于复盖的冰、水或煤层厚度变化造成的谐振频率与电导率的百分比变化能由实际的仪器检测和测量。已经发展出一种薄的微波带状天线传感器和计算机代码来确定由于结冰层变化造成的微波带状天线谐振频率的变化。其结果是当冰层厚度从0.01英寸增加到0.22英寸时，谐振频率从2500兆赫兹近乎线性地下降到2150兆赫兹。冰层厚度每变化0.1英寸时谐振频率变化140兆赫兹，或者说5.6%。0.25英寸的冰层使天线谐振频率减小14%。

为了更详细地研究冰和冰-水层的性状，在一个温度可控的室内进行了一系列实验性检验。在这些检验中，将一微带天线放在一浅盘底部，然后向盘中加水，每次增加0.1英寸厚度。在每次水深增加之后独立地测量谐振频率和导电率在一小时之后待此0.1英寸水层变成冰时再重复这一测量。检验数据列于表1。

当结冰从零增至0.4英寸的谐振频率变化了1.9%，这项试验是对设计标称运行频率为821兆赫兹的天线进行的。谐振电导变化为66%。当把这一实验结果与理论结果比较时，得到对设计运行频率为2400兆赫兹左右的天线，预期变化为14%。谐振频率的百分比变化与冰厚度及无线电信号波长有关。在高频时，冰层厚度覆盖无线电波穿过空间的波长的部分较大。所以，随天线谐振频率的增高，由于冰层深度造成的谐振频率变化相应地增大。随着谐振频率的增高，微波带状天线的物理尺寸可以减小。对冰层的灵敏度及物理尺寸的考虑，表明使用2000兆赫兹频率范围为好。

实验测试数据表明，当覆盖天线的水层为0.1英寸时，谐振频率变化24兆赫兹（2.9%）。谐振电导增大60%。与介电常数为4的冰相比，传感器能更容易地检测出介电常数为80的水的存在。水和甘油（丙三醇）组成的抗冻混合物显示出的介电常数观测结果为24至80之间。所以，水-乙二醇混合物能被这种微带传感器检测到。

理论和实验研究还表明，冰深度还能由谐振微带碎磷天线来测量。已发表文献中的理论结果和实验测试表明，一个保护层（例如八分之一英寸塑料层）将降低微带碎磷天线的灵敏度。所以在实际设计传感器时，保护层最好尽可能薄。计算机模拟表明，可以预期在天线上每结冰0.1英寸厚时，谐振频率变化6%。实验数据表明谐振频率变化2.1%而谐振电导变化34%以上。如果只有0.1英寸水层覆盖在冰层上，则可预期谐振频率减小160兆赫兹（19.4%）。谐振电导可预期增加188%，这正是在实际仪器测量能力范围内。这种仪器设计要求测量天线的谐振频率和谐振电导二者，以确定冰的厚度，并确定是否存在水层。当在层中存在防冻剂或要测量一个潮湿层时，谐振频率将会减小，谐振阻抗将显著变化。

所以，本发明的一个目的便是提供一种监测系统，用于测定露天表面上冰的存在及其厚度。

本发明的又一目的，是提供一种装置，用于测定机翼表面上水-甘醇（乙二醇）混合物的冰点。

本发明的又一目的，是提供一个系统，用于测量具有不同含水量的煤层厚度。

本发明的又一目的，是提供一种自动装置，用于警告驾驶员以免道路或桥梁上因天气条件造成的灾害。

本发明的又一目的，是提供一种自动装置，用于在机舱中或通过控制塔警告飞行员以免由于飞机机翼上结冰而造成的灾害。

本发明的又一目的，是提供一种自动装置，用于警告发射控制员以免由于空间飞船液氧槽上的冰积累造成的灾害。

简单地说，本发明的一个实施例是一个用于在直径2英寸孔中嵌入安装的道路传感器，这样可以使用一个薄的陶瓷接触传感器来测量和比较紧挨路面或桥面空间的基本物理天线参数。与微处理机联合进行测量，以鉴别传感器头上的干燥的铺设路面、水（雨）、雪和冰。测定周围表面温度、水深度和冰/稀泥状况，以估计任何水上滑行灾害和冰/防冻剂/水混合物状况。传感器由一个天线组成，它有一个谐振频率和一个包括实数项的输入导纳。这种测量能确定湿度对煤层厚度测量的影响。一个麦克斯韦（Maxwell）电桥与天线耦合，用于检测谐振频率、输入导纳和实数项;一个频率扫描振荡器用在该谐振频率附近的多个频率上驱动天线。一个相敏（phase sensitive）检测器确定传感器微波带状天线的谐振频率和阻抗。第二对天线用于确定衰减率和相位，从而能得到测量层的电导（σ）和介电常数（ε）。微处理机将电导与介电常数测量结果联系起来，以产生例如冰和水含量及层厚的一对估计值。

本发明的优点在于所提供的系统能检测和测量露天表面上冰和水的累积层。

本发明的另一优点，是所提供的系统能就道路或桥梁中指定地点的实际结冰或水上滑行状况向驾驶员报警，从而改善高速公路的安全性。

本发明的另一优点，在于提供了一种系统，它能确切指出对飞机机翼在何时何处需要采取去冰和抗冻措施。

本发明的再一个优点，是提供了一种系统，它能在煤层电参数变化的情况下测量煤层厚度。

在读过对各附图中所示的最佳实施例的如下详细描述后，本领域的技术人员会清楚看出本发明的这些及其他目的和优点。

图1是本发明第一仪器实施例的框图，该仪器用于检测和测量冰与水的积累;

图2是示意图，给出图1所示仪器的一些选定元件的更多细节;

图3是图1和图2所示仪器中包括的正交信号（quadrature signal）发生器的框图;

图4是本发明的双变换第二仪器实施例一部分的组合示意框图，该仪器的其余部分与图1和图2所示相似;

图5是本发明的嵌入式道路传感器实施例的侧视图，该传感器位于道路中的孔内，如截面图所示;

图6是本发明的三天线仪器实施例，用于测量冰和水的积累层。

图7是本发明的三天线仪器实施例，用于测量煤层厚度或测量抗冻混合物层的损耗角正切值。

图1给出本发明的冰层厚度测量仪器实施例，这里用参考号10一般地代表。仪器10包括有碎磷天线12、麦克斯韦电桥14、相位检测器16、模拟-数字转换器（ADC）18、正交信号发生器（QSG）20、微处理机系统22以及显示器24。天线12是环形碎磷天线，它带有偏移同轴馈电点，并呈现电导纳输入项Yin。微处理器22向电桥14提供校准信号并向发生器20提供频率控制信号、电桥14接收来自QSG20的可变频率驱动信号、仪器10测量微带天线12的谐振频率（fr）和输入导纳值。输入导纳（Y）是

Y＝G+iB （1）

这里G＝天线的输入电导，单位西门子，

B＝输入电纳。

在谐振频率（fr）下，输入电纳（B）将等于零。

利用在电桥14实现的麦克斯韦电桥结构进行天线导纳测量。电桥输出信号（e_o）被加到相敏检测器（PSD）网络26（它由相位检测器16和ADC18组成）并由ADC18和微处理机22的组合来测量。在微处理机22中包含的一个控制程序利用通过ADC18得到的信号e_x和e_y的一对测量值来计算导纳。微处理机22还控制QSG20的运行频率，以确定天线12的谐振频率。这是通过增大QSG20的输出频率（f_o）直至测得的输入电纳（B）达到零为止而达到的。

这种电桥测量必须在天线12内包括校准装置。天线的连接应可以造成开路、短路和50欧姆阻抗，以产生标准的校准信号。

在完成谐振状态下对频率和电导的测量后，用包括特定仪器10标识码在内的数据去频率调制QSG20的输出信号。在例如每当检测到结冰的时候碎磷天线12便运行将数据传送给远距离监测接收机。多测量仪器10可以固定在被监测表面，以监测冰的形成。

图2更详细地显示出电桥14和PSD26。微波带状天线12的输入阻抗是由麦克斯韦尔电桥14、PSD26及QSG20测量的。需要知道每一个的数学函数。桥14的方程从网络电流环方程导出，为

i₁＝ (e)/(R+R) ，（2）

i₂＝ (e)/(R+Z) ，（3）

这里，Z是天线输入阻抗，

R是电桥电阻值（欧姆），

e＝ESin（2πfrt+Q₁）是电桥源电压，

这里，E是电源电压峰值，

fr是QSG20的运行频率（赫兹），

Q₁是QSG信号的相位。

电桥网络的输出电压（e_o）是

e_o＝（i₂-i₁）R （4）

将方程（2）和（3）代入方程（4），得到电桥电压比Γ，它由电桥阻抗确定：

Γ＝ (e_o)/(e) = (R)/(R + Z) - (R)/(R + R) （5）

该比值为-复数，可表示为

Γ＝︱Γ︱e^-iθm（6）

这里｜Γ｜是比值的幅值，

Q_M是测得的相移。

可由下式计算出天线输入阻抗：

Z = 〔 \frac{\frac{1}{2} - Г}{\frac{1}{2} + Г} 〕R ( 7 )

为使电桥电压比Γ随z的变化达到极大，可以说明电桥R值应设置成等于天线12谐振频率处z的实数值。

对电桥电压比（Γ＝e_o/e）的测量要求知道电桥源电压（e）的幅值和相位，因此需要校准。通过使天线12的两端短路，对电桥网络的观察表明测得的输出电压（e_o）是

e_o＝ 1/2 e （8）

通过使天线12的两端开路，电桥网络输出电压变为

e_o＝- 1/2 e （9）

开路状态产生的输出电压与短路状态的输出电压相位相差180度。在这两种情况下，被校准电桥输出电压的幅值都将是QSG20源电压（e）的二分之一。正交信号的幅值是

E＝2e_o（10）

由开路和短路的相位数据（180°）能完成仪器10的相位校准。然而，如果相敏检测网络使用同步检测器，则不需要这种相位数据。

电桥输出信号可以表示为：

e_o＝ 1/2 |Γ|ESIN（2πf_rt+Q₁+Q_M）（11）

图2显示出PSD26包括一对混合器30和32，它们分别以电桥14的输出电压e_o去混合同相注入信号e_I和正交相位注入信号e_Q，表示为

e_o×e_I（12）

e_o×e_Q（13）

一对低通滤波器34和36分别产生电压e_x和e_y。多路转换器38受微处理机22控制，以为ADC18选择输入信号。QSG20输出的正弦信号表示为：

e_I＝ESIN（ωt+Q₁）（14）

和e_Q＝ESIN（ωt+Q₁+90°）（15）

对混合器输出信号的低通滤波，去掉了所有与频率有关的项，只保留了DC（直流）项，如下式表示：

e_x＝ 1/2 |Γ|E²SIN（Q_M+Q₁-Q₁）（16）

和

e_y＝ 1/2 |Γ|E²COS（Q_M+Q₁-Q₁）（17）

方程（16）和（17）表明在混合器30和32中抵消了QSG的相位（Q₁）跳动和漂移。经低通滤波的PSD混合器输出信号可由相量图表示。其中的信号相位由下式给出：

Q_M＝TAN^-1e_x/e_y（18）

幅值为

\frac{1}{2} ｜Г ｜ = \frac{\sqrt{e^{2}_{x}{+ e}^{2}_{y}}}{E^{2}} ( 19 )

电桥电压比的幅值是

电桥电压比的幅值由e_x和e_y的ADC18测量确定。E值是在仪器10校准过程中确定的。在微处理机22中包含计算Q_M，Γ，及Z的例行运行程序。

以QSG20为参照，对于冰和冰-水深度范围所对应的整个谐振频率频带（BW_M）测量碎磷天线12的导纳。频率的测量带可超过160兆赫兹（MHz）。可以在来自微处理机22的控制信号的控制下使QSG20的频率自动地上和/或下扫描，直至检测到碎磷天线12的谐振频率。在谐振频率处，天线输入导纳的虚部（电纳）表现为零值。正交无线电频率信号加到电桥14和PSD26网络。微处理机22根据e_x和e_y测量值计算导纳。

寻找天线12的谐振频率的过程，可以从预先确定的测量频带最低处的QSG20输出频率开始。在这一最低频率处测量天线12的导纳。然后逐步增加输出频率并测量导纳，直至天线的输入电纳显示出极小值为止。对于每个增量式输出频率变化，最好使用微波带状天线12带宽内的至少10个不同频点。由于天线12的3分贝（dB）带宽点之间的频率间距约为谐振频率的3%，所以增量频率变化最好小于工作频率的0.003，例如，对于在800兆赫兹谐振频率处的增量变化应为2.4兆赫兹或更小些。在仪器10中并不严格要求有比这更高的频率分辨率。

同相（e_I）和正交（e_Q）无线电频率信号是在QSG20网络中产生的，该网络实质上是带有在微处理机22中包含的频率搜寻程序产生的数字控制的频率合成器。

图3中更详细地描绘出QSG20。数值控制振荡器（NCO）50包括一个25兆赫兹振荡器52、集成电路（IC）装置54、8位数模转换器（DAC）56以及去假频滤波器58。NCO50产生的信号输出（SIN），它被加到相位检测器60的一个输入端，滤波器62让相位检测器60的输出通过以控制压控振荡器（VCO）64。一个90°混合电路66产生两个正交信号e_I和e_Q，它们最好在一个共同测量频带内合成。被128除计数器68返回一个VCO64输出取样，以用于锁相。功率分配器（power splitter）69提供信号e_I的两个复制信号。VCO64工作在从600兆赫兹至1200兆赫兹的测量频带内。VCO64可以由市场能买到的Vari-L VCO-120集成电路构成。VCO输出信号可以被交替地提供给功率分配器，它向90°混合电路66和除128计数器68提供无线电频率输入信号。90°混合电路66产生直接变换过程中所需要的正交无线电频率信号，它可以由Adams-Russel JH-140型90°混合电路（它在500兆赫兹至1000兆赫兹频段内提供正交信号）构成，其插入损耗（insertion loss）小于0.3分贝。这一单元的正交偏差在整个频段小于2°。

在运行过程中，相位检测器60和滤波器62迫使NCO信号（SIN）的频率和相位与VCO除128信号的频率和相位完全相同。除128信号频率通常以4.6875兆赫兹延伸到9.3750兆赫兹。如果调谐带上边界频率由90°混合电路66限定在1000兆赫兹，那么除128信号频率极限将是接近于7.8125兆赫兹。

装置54最好是Stanford Telecom数控振荡器（产品号STEL-1179），它是一个CMOS装置，装在一个26针塑料引脚芯片载体（26-pin plastic leaded chip carrier）（PLCC）上，它能通过24位串行接口与微处理机22相连。装置54提供频率合成过程中所需要的数字调谐能力的粗细程度（granularity）。利用25兆赫兹时钟，增量频率调谐步长是1.5赫兹。频率合成器的总体增量调谐能力是192赫兹（128×1.5）。Vectron CO-442 ACMOS CMOS时钟振荡器可以用作为振荡器52。可以使用Mini Circuits（小电路）低通滤波器来实现去假滤波器58。

e_I和e_Q无线电频率信号可以以下述两种方式之一加到电桥14和PSD26上：一是如图2所示的直接变换频率传送过程，另一种是双变换频率传送过程。直接变换设计的优点是电路简单。

图4给出双变换方案的一个举例。本发明的第二个仪器实施例（这里用总参考数字80表示）包括：天线82、天线开关84、电桥86（包括三个电阻88-90构成的一组电阻及变压器92）、第一IF混合频器94、第二IF混频器96、第一除法器98、第二除法器100、第一功率分配器（power splitter）102、第一VCO104、电压转换器106、DAC108、PLL混合器110、第二功率分配器112、第二VCO114、滤波器116、放大器118、相位检测器120、第三除法器122以及第四除法器124。混频器94接受10.2375兆赫兹的本机振荡（LO）频率，混频器96使用10.24兆赫兹的本机振荡频率。其结果是2.5千赫兹的IF频率，它再送到相敏检测器。

在图1中，这种双变换线路必须有另一个中频（IF）级放在电桥输出端口和相敏检测器之间。双变换方案是使e_I和e_Q信号只在第二IF频率产生。加到电桥14和第一IF混频器的无线电频率信号在测量频带合成，以产生恒定的第一IF信号频率。

这样，直接变换和双变换利用混频器、滤波器、以及其他无线电信号处理部件来实现增频（up-frequency）变换。混频器的作用是变换波段，而倍增器和锁相环可用于使较低频信号的频率（相位）加倍。所有的无线电频率信号产生于一个由时钟控制的公共晶体，从而能实现相位相干频率变换过程。频率谐调能力由信号频率的数字编程实现。

直接变换方案的另一种构成，可以使用频率倍增器和混频器来合成测量频带信号。增频变换器电路使用对NCO输出信号的大整数乘法，造成大于18分贝的变换损失。尽管由于所涉及的乘数因子的影响会使频率分辨率降低，但该分辨率仍然在仪器10的频率步长调谐要求的范围之内。也可以考虑将NCO输出信号与600兆赫兹晶体振荡器信号混合，从而减小乘数因子。可以跟在混频器后面使用倍增器来获得适当的波段。这种电路方案需要窄带通滤波器来压低不希望的频率分量。混频器频率变换还需要抑制镜象频带混频器注入信号（image band mixer injection signal）。当在混频之前对NCO输出信号加倍时，可以放松对压缩不希望信号的要求。或许也可以使用对NCO偏移频带的带通滤波。然而在NCO合成输出信号频带内的幅度会发生变化。只使用低通滤波器的增频变换方案要求在频率变换过程中使用乘法混频器。

在图4所示双变换过程中，VCO104由DAC108产生的DC（直流）调谐电压控制。一个微处理器产生一数字调谐码，且后者被串行送到DAC108。VCO104是降频混频（mix-down）型PLL的一部分。该PLL产生总是与VCO104的测量频率相差10.2375兆赫兹的输出频率。第一IF信号频率总是10.2375兆赫兹，第一IF信号处于电桥86输出信号增益常数范围内。第一IF输出信号在第二混频器96中与一10.24兆赫兹信号混频。2500赫兹的第二IF信号被加到相敏检测器上。10.2375兆赫兹和10.24兆赫兹信号都是由一个相干频率源（CFS）电路产生的，该电路还产生用于PSD混频器（例如混频器30和32）所需的正交信号。

微处理器22（图1）包含一个程序，它计算天线的导纳、产生QSG20所需的增量调谐信号并完成向远距离接收机传送数据所需要的调制功能。该微处理机可以由Dallas Semiconductor DS-5000T构成，它已经按测量仪器10或80中所需算法编程。DS-5000T包括32K比特的不易失RAM。在对该单元编程时使用了标准的Intel 80C51型指令集。对于微处理机22，最好能在仪器各测量周期之间关掉电源从而节省电源和防止生热。从断电状态到完成冰厚度测量大约需要20毫秒。所以仪器10可以在低工作循环情况下运行，因为在一般应用中冰层厚度变化不是很快的。

测量天线导纳需要一个能确定电桥14或86的输出电压比（Γ）的相位的四象限反正切程序。在第二校准程序中确定电桥信号幅值（E）。这一数据用于第三程序中以计算天线导纳。如果导纳不是足够小，则微处理机22为频率发生器产生一个增量调谐信号，以发现使天线电纳减小的频率点。

一旦已经确定了谐振频率和电导，在微处理机22内的频率调制器程序便使加到天线上的信号以数字调制方式被频率调制。这样，天线的运行作用便从传感器的作用变成更传统的无线电发射机天线的作用。这种调制传送了谐振频率、电导、冰层厚度、表面温度以及具体仪器的台站源标识数码。可以使用一种“颤抖（dithered）”频率传输方式，以允许多单元运行，从而一个远距离接收机能总是接收所有的传输信号，而在各同时发射的仪器之间不发生超限干扰。

最好在微处理机22内包括一个休眠计时器程序，以减小整个仪器10和/或80的供电工作循环时间。可以通过实例来说明这种减少供电工作循环时间的好处。如果仪器每分钟工作一次，则最终的工作周期可小到0.0003。例如，估计仪器10的所需电流接近500毫安。休眠方式电流为100微安。所以，平均电流将只是稍高于100微安。所以可以使用电池对仪器10供电，并可持续数年。为进一步延长电池寿命，可以包括一个表面温度传感器用于控制何时启动发射机。例如，当温度接近冰点时再启动。这样，一个整装齐全的无人值守的仪器架设是实际可行的。

图5给出本发明的道路传感器实施例，用总参考号130表示。传感器130是打算测量和解释道路表面的积累，包括：冰的存在、冰的厚度、水的存在、泥浆（slush）、雪、抗冻混合物、道路温度和冰点。传感器130包括：一个2英寸直径的外壳132、一个陶瓷盖134、一个微带天线136、一个O-环密封圈138、一个测量用印刷电路板（PCB）140、一个频率合成和编码器142、一个微计算机144、一个温度传感器145以及一个锂电池146。所有的有源（active）电子部件（例如微计算机144）都包括低功耗器件（例如CMOS逻辑）。传感器130装在道路150内的孔148中。传感器130的电路构成可以包括仪器10或80那样的电路。

天线136可以包括多种模式的功能，从而使它显示出两个谐振频率f₁和f₂。由PCB140鉴别出哪个频率正被用作为谐振频率。

天线136和盖134的构成材料，当把传感器10已布放在例如图5中的道路150上时，最好在热传导性上与周围结构的热传导性能相匹配。在其他应用中，例如在桥梁中，其热传导性将最可能需要是混凝土的那种热传导性。在飞机机翼应用中，一般需要接近于铝的热传导性。要求传感器10的部件热传导性与周围结构的热传导性相匹配是重要的，因为传感器10不应该比周围结构较早或较迟达到结冰温度。热传导性的差异可能会促进或阻碍精确的瞬时传感和由水到冰的相变。

一旦由传感器130完成了一组测量，并从温度传感器145读出了表面温度，便由编码器142对道路状态编码并用于调制一个传感器-发射机信号。一个路边接收机152接收来自多个传感器130的多个这类信号。然后由接收机152向路边的警告信号标志发出信息。微计算机144包括一个程序，用于周期性“唤醒”传感器130和使它返回“睡眠”状态以节省电池146的能量消耗。另外，可以使用温度传感器145来控制何时唤醒传感器130，例如当即将接近冰点并正在发展结冰危险或出现这种威胁的时候。这样，电池寿命能延长到5年或更长。为了减小各同时发射的传感器130之间的冲突，一种由夏威夷大学研制并公开传播的“阿罗哈（aloha）”传输方案最好能被包含在传感器中，以使发射时间为随机时间。对于一个有127个传感器的系统，成功传送的概率能达到0.0414，而在三次发射中至少能检测到一次的概率为0.9999。

在另一个实施例中，接收机152被装在车辆中，如装在轿车、卡车或公共汽车中。警告信号器156位车内，信息154可为驾驶员看到，也可以发声宣布以引起注意。

传感器130可以在物理结构上进行修改，以适应于应用，以用于飞机和空间飞船中。例如，传感器130可以嵌在NASS的航天飞机轨道飞行器的表面上，以检测和测量液氧燃料舱外表面的结冰情况。接收机152适应于装在发射架上并使用RS-232电缆将状况传送到位于空间飞行控制中心内的显示器156上。

传感器130也可以制成适合于与飞机机翼表面齐平。这飞机机翼受到结冰作用，如果结冰超过具体的临界厚度就会造成灾害。传感器130也可以制成适于测量位于跑道旁边的模拟机翼表面的结冰状况。传感器130可以放在跑道和滑行道表面。接收机152适于以RS-232电缆将状况传送给位于飞机交通控制塔内的显示器156。另一种方式是再将信息传送给具体飞机的飞行舱，以使飞行员能作出与这些测量有关的重要决定。例如，可以在结冰状态警报期间启动机翼中装有的去冰器。

仪器10和80可以修改成包括一对附加天线，用以协助确定冰和水的累积厚度或煤层的厚度。图6所示了仪器160，它包括：环形碎磷天线162、包括3个电阻166、168和170以及一个注入变压器171的麦克斯韦尔电桥164、开关172、第一接收天线174和第二接收天线176、相敏检测器（PSD）178、微计算机180和直接数字合成器（DDS）182。天线162、174和176全都嵌入安装在受冰、雪和/或水的露天积累影响的公共表面上。安装的天线174的位置与天线162相距半径尺度为γ₁。天线176安装位置距天线162的半径尺度为γ₂。最好是λ/2π＜γ₁＜γ₂。天线174和176可以是偶极型的。累积层的电参数，例如电导率（δ）、介电常数（ε）和磁导率（μ），的测量可采用与Grubb等人在“Borehole measurements of conductivity and dielectric constant in the 300 KHz to 25 MHz frequency range”（“300千赫兹至25兆赫兹频率范围内电导和介电常数的井孔内测量”）（Radio Science（无线电科学），第11卷第4期，275-283页，1976年4月，由美国地球物理协会预见出版，华盛顿特区）一文中描述的方法相似的方法进行。

开关172暂时的位置使天线174与PSD178相连，从而使微计算机180可以收集e_x和e_y各值。然后开关172的位置被变换成使天线176与PSD178相连，从而使微计算机180可以收集第2组e_x和e_y各值。天线174产生

E₁＝E_O(e^－ikrl)/(r₁) （21）

而天线176产生

E₂＝E_O(e^－ikr2)/(r₂) （22）

这里

K＝β-iα （23）

β是相位常数，以弧度/米为单位，α是衰减率，以奈培（neper）/米为单位，于是

-ikr₁＝-iβr₁-αr₁（24A）

-ikr₂＝-iβr₁-αr₂（24B）

于是

E_{1} = \frac{E_{O}}{r 1} e^{- i β r}_{1} e^{- a r}_{1}, ( 25 )

且

E_{2} = \frac{E_{O}}{r 2} e^{- i β r}_{2} e^{- a r}_{2}, ( 26 )

若γ₁和γ₂为已知，信号的衰减或幅值变化（以奈培为单位）由下式给出：

对于相位，其相移（以弧度为单位）由下式给出：

△Q＝-β（γ₁-γ₂）（28）

这里△Q是测得的相移。根据Grubb等的文章，如果天线174和176的信号（A₁和A₂）的幅值和相位是已知的，那么

β＝ (△Q_r)/(r₂- r₁) （29）

单位是弧度/米，且

α = \frac{Ln ｜ \frac{E_{1}}{E_{2}} ｜ - L n ｜ \frac{r_{1}}{r_{2}} ｜}{{( r}_{2} {- r}_{1})} ( 30 )

单位是奈培/米。

根据Heaviside，这里β是相位常数，单位弧度/米，

β = ω ［ \frac{μ ε}{2} 〔 ［ 1 + (\frac{σ}{ε ω})^{2} ］^{\frac{1}{2}} + 1 〕］^{\frac{1}{2}},( 31 )

而α是衰减率，单位奈培/米，

α = ω ［ \frac{μ ε}{2} 〔 ［ 1 + (\frac{σ}{ε ω})^{2} ］^{\frac{1}{2}} - 1 〕］^{\frac{1}{2}},( 32 )

能够得到损耗常数σ/ωε。由此能得出Re（Yin）与厚度的经验导出关系，或者可以使用一个分析表达式来得到累积层厚度和/或水-乙二醇浓度的答案。

图7所示仪器160是适用于感知煤层的。当接近煤层放置时，天线162、174和176可以得出损耗角正切，从而在即使煤层内湿度变化时也能估计出煤层厚度。当要确定抗冻冰点时使用这种仪器结构。

虽然利用最佳实施例描述了本发明，应该理解本说明不应被解释成一种限制。对于那些本领域的技术人员，在读过上述说明后，会明了各种变化和修正。例如，这里描述的仪器可以用于测量开口通道的液体流，例如通过测量槽的污水。半固体油的积聚是污水流测量的一个常见误差源，它可以由它的特征性介电常数（和水的介电常数显著不同）来鉴别。因此，所附权利要求应被理解为覆盖属于本发明真正精神和范围内的所有变体和修改。

Claims

1、一种测量系统，包括：

一个天线，用于放在受到冰和/或水层积累的表面位置，并具有一个谐振频率和含有实数项的输入导纳；

与该天线耦合的麦克斯韦电桥装置，用于检测所述谐振频率、所述输入导纳和所述实数项；以及

频率扫描装置，用于在接近于所述谐振频的多个频率上驱动天线，其中所述谐振频率、所述输入导纳和所述实数项可以被确定。

2、权利要求1的系统，还包括：

相敏检测装置，用于确定衰减率和相位，从而确定与所述层有关的导电率（σ）和介电常数（ε）测量;以及

计算装置，用于与所述电导率和介电常数测量相关联以确定冰和水的含量、抗冻的冰点以及层厚度。

3、权利要求2的系统，还包括：

通信装置，用于将所述估计值传送到一个无线电接收机。

4、权利要求3的系统，其中：

所述接收机适于放置在飞机控制塔内并包含图形装置以显示来自飞机表面传感器的结冰状况。

5、权利要求3的系统，其中：

所述接收机适于放置在机动车辆中并包含图形装置以向所述机动车辆的驾驶员显示结冰状况。

6、权利要求3的系统，其中：

所述接收机适应于放在道路旁边，用以启动一个信号标志以向驾驶员发出道路灾害警报。

7、权利要求2的系统，其中通信装置还包括：

频率/相位调制装置，用于调制频率扫描装置，以将调制过的无线电发送信号加到传感器天线上，其中传感器天线是作为测量之间的发射天线;以及

编码装置，用于将所述估计值变换成调制信号加到频率调制装置上。

8、权利要求1的系统，还包括：

用于向系统供电的电池;以及

自动供电和暂停供电装置，用于使系统周期性循环工作，其中电池的平均功率消耗被降低了。

9、权利要求8的系统，还包括：

温度传感装置，用于提供表面温度从而可以确定冰点和控制自动供电和暂停供电装置。

10、权利要求1的系统，还包括：

温度传感装置，用于确定所述天线附近表面的温度。

11、权利要求7的系统，还包括：

系统外壳，用于将系统齐平嵌入道路中，这里可以确定道路上水深度及冰/稀泥状况，以周期性地向无线电接收机发送任何水上滑行灾害和冰/防冻剂/水混合物的信息。

12、权利要求7的系统，还包括：

系统外壳，用于将系统嵌入飞机机翼表面，这里可以确定结冰状况并将信息周期性地传送给无线电接收机。

13、权利要求7的系统，还包括：

向系统供电的电池;

自动供电和暂停供电装置，用于使系统周期性地循环工作，其中电池的平均功率消耗被降低了;

系统外壳，用于将系统齐平嵌入受到气候条件影响的表面中，其中可以确定水的深度和冰/稀泥状况，并周期性地将冰/防冻剂/水混合物信息发送给无线电接收机。

14、权利要求1的系统，其中：

天线包括具有接近于主要构成所述表面位置的材料具有的热传导性的热传导性的材料。

15、检验和测量露天表面上积累物的一种方法，该方法由以下步骤组成：

通过利用经麦克斯韦尔电桥与所述碎磷天线耦合的相敏检测器来测量两个相量（phasor）e_x和e_y，确定靠近所述表面积累物的碎磷天线导纳（Yin）;

调整用于激发所述碎磷天线的信号的频率，从而检测出谐振状态;

测量第一和第二接收天线的相位和幅值，这两个天线与所述碎磷天线分别相距预定距离r₁和r₂;以及

由所述相位和幅值计算损耗角正切，其中所述损耗角正切用于检索一组经验导出的函数以获得对所述表面层的厚度或水-抗冻剂混合物的估计值。

16、测量煤层厚度的一种方法，它将损耗角正切用于一个经验导出的和解析的函数以确定所述厚度，该方法由下述步骤组成：

通过利用经麦克斯韦电桥与所述碎磷天线耦合的相敏检测器来测量两个相量e_x和e_y，确定靠近所述煤层的碎磷天线导纳（Yin）;

测量第一和第二接收天线的相位和幅值，这两个天线与所述碎磷天线分别相距预定的距离r₁和r₂;以及

由所述相位和幅值计算损耗角正切，并检索出一个经导出的和解析的函数以估计所述煤层的厚度。