專利名稱：對(duì)固體材料表面上的液體水和冰層的檢測(cè)設(shè)備與方法
一般地說(shuō)，本發(fā)明涉及運(yùn)輸安全設(shè)備和裝置，具體地說(shuō)，是涉及能檢驗(yàn)和測(cè)量液體水和/或冰累積層(如在道路、橋梁、飛機(jī)機(jī)翼以及發(fā)射前的空飛行器等表面上可能發(fā)生的那樣)的設(shè)備。再更具體地說(shuō)，本發(fā)明還涉及能確定濕度和電參數(shù)變化對(duì)現(xiàn)場(chǎng)煤層遙感測(cè)量的影響的儀器。
在低溫的燃料槽、機(jī)翼表面和公路上會(huì)在未預(yù)料的情況下發(fā)生結(jié)冰，并對(duì)運(yùn)輸造成災(zāi)害性狀況。
在NASA(國(guó)家航空航天局)的航天飛機(jī)計(jì)劃中，在低溫燃料艙上結(jié)冰是一個(gè)令人關(guān)注的安全問(wèn)題。當(dāng)把助推火箭上的密封燃料艙填充之后，除非結(jié)冰厚度達(dá)到或超過(guò)0.25英寸，否則將繼續(xù)倒計(jì)時(shí)階段。到目前為止，結(jié)冰深度的測(cè)量是手工進(jìn)行的，由工人刮掉冰層并測(cè)量冰層的厚度。在大型直立運(yùn)輸工具上，例如在航天飛機(jī)上，由于實(shí)際到達(dá)它上面去的困難，限制了這種測(cè)量的次數(shù)。
在華盛頓特區(qū)、科羅拉多的丹佛、紐芬蘭以及最近在歐洲發(fā)生的商業(yè)航線的空難，被懷疑是由于飛機(jī)機(jī)翼上集結(jié)冰和雪造成的。在為減輕冰和雪的潛在危險(xiǎn)所進(jìn)行的保護(hù)性努力方面，航空維護(hù)隊(duì)一概在機(jī)翼表面噴撒防凍和去冰液體，例如乙二醇，有時(shí)不管是否實(shí)際存在冰。在壞天氣操作條件下，經(jīng)常由于天氣減少了能夠起飛和著陸的飛機(jī)數(shù)量而使飛機(jī)起飛延遲，這只能加劇了結(jié)冰問(wèn)題，因?yàn)檫@可以有更多的時(shí)間使在機(jī)翼上結(jié)冰達(dá)到危險(xiǎn)厚度。這就減少了飛機(jī)在起飛前的保持(hold)時(shí)間。為了防凍，可以在機(jī)翼表面噴撒乙二醇液體?？贡囊叶家后w噴在機(jī)翼表面形成一層，用于在起飛過(guò)程中清除機(jī)翼。隨著雪或雨的不斷積累，抗凍混合物的冰點(diǎn)溫度升高。在滑行和保持期間，抗冰液體的有效性受到損害。飛行員對(duì)他的飛機(jī)表面能看到的部分是很有限的。正等待起飛的飛行員們需要一種可靠的傳感器技術(shù)，這種技術(shù)能確定極其重要的機(jī)翼表面是否已受到損害。任何冰層厚度、雪厚度、以及污水(shush)-乙二醇混合物的厚度都是飛行員希望得到報(bào)告的重要數(shù)據(jù)。必須知道防冰層的冰點(diǎn)。
在結(jié)冰條件下的一般飛行操作通常是利用去冰技術(shù)來(lái)除掉機(jī)翼表面上危險(xiǎn)的冰層。在飛行過(guò)程中，冰傾向于在飛機(jī)上層結(jié)構(gòu)(supperstructure)的前緣和其他突出部分上形成。多年來(lái)已經(jīng)發(fā)展了去冰技術(shù)，包括氣動(dòng)水泡(pneumaticBladder)、加熱元件、以及超聲傳感器。這種技術(shù)在操作過(guò)程中要求使用飛機(jī)內(nèi)的燃料。一個(gè)自動(dòng)啟動(dòng)去冰的傳感器會(huì)節(jié)省成億(美)元的燃料費(fèi)用。
道路在結(jié)冰和造成汽車事故方面也是出了名的。最具有災(zāi)害性的冰層是那些難于看見(jiàn)的、沒(méi)有預(yù)料到的或不規(guī)則的冰層。例如，在通往橋梁的通道上，在出現(xiàn)冰凍狀況很久之前就會(huì)在橋上形成所謂“黑冰(blackice)。”國(guó)家公路系統(tǒng)的安全取決于路面和車輛輪胎保持好的摩擦。小水坑也能使輪胎從路面滑脫。這種水使自旋的輪胎在水上滑行，從而使車輛在沒(méi)有警告的情況下失去轉(zhuǎn)彎和制動(dòng)能力。在路面和橋梁上的黑冰和水上滑行，是公路事故的首要原因。如果采用了傳感器檢測(cè)橋梁上的黑冰和水上滑行狀況以及結(jié)冰狀況，那么公路的安全性就會(huì)改善。于是能自動(dòng)點(diǎn)亮通路警告信號(hào)并啟動(dòng)去冰技術(shù)，如在道路表面的加熱線圈(heatingCoils)或其他技術(shù)來(lái)改善駕駛條件。
能被測(cè)量的材料層包括天然介質(zhì)如煤層。如果能得到這種測(cè)量，則會(huì)改進(jìn)煤層切割過(guò)程。某些煤層含有不同的濕度，而這種可變性影響以導(dǎo)電性為依據(jù)的厚度測(cè)量。因此需要實(shí)驗(yàn)確定測(cè)量參數(shù)與厚度的關(guān)系。
曾發(fā)展了許多種先有技術(shù)，但由于它們?cè)诙嘧兊臍夂驐l件下測(cè)量結(jié)冰狀況的能力不可靠而被放棄了。其技術(shù)問(wèn)題之一與表面上冰、雪和水狀態(tài)的鑒別有關(guān)。另一個(gè)問(wèn)題與抗凍混合物的冰點(diǎn)測(cè)定有關(guān)。測(cè)量復(fù)蓋層物質(zhì)厚度是另一個(gè)問(wèn)題。這種測(cè)量依賴于具體層位的電參數(shù)。由于在一些煤層中的濕度會(huì)發(fā)生變化，需要一種測(cè)量層中電參數(shù)的方法。同樣的技術(shù)對(duì)于確定抗凍混合物冰點(diǎn)也是需要的。傳感器耐久性是又一個(gè)問(wèn)題。例如，凸出的傳感器測(cè)量機(jī)翼表面結(jié)冰狀況可能并不可靠。需要能夠牢靠地安裝上去的嵌入式(flush)傳感器。這樣的傳感器還必須與它所監(jiān)測(cè)的周圍表面的熱力學(xué)性質(zhì)相容。
對(duì)微帶天線(microstripantenna)的理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，可以做得使天線的終端導(dǎo)納(terminaladmittance)依賴于天線上復(fù)蓋的冰、雪、水、水-乙二醇或煤層的厚度、介電常數(shù)及電導(dǎo)率。其背景技術(shù)可參見(jiàn)1991年12月10日授予二個(gè)本發(fā)明人LarryG.Stolarczyk和Gerald L.Stolarczyk的美國(guó)專利5，072，172號(hào)，特別是其中關(guān)于

圖10中飛機(jī)機(jī)翼截面的討論。微帶天線的典型結(jié)構(gòu)是在相對(duì)介電常數(shù)(εr)大于2.2的基片上構(gòu)成導(dǎo)電層。隨著介電常數(shù)的增大，天線的必需的物理尺寸便可減小。相對(duì)介電常數(shù)的典型值從DUROIDTM的2.2變化到TMM-10TM的9.8左右，這類基片材料有較低的溫度系數(shù)。更高介電常數(shù)的基片在技術(shù)上是可能的。一個(gè)微帶綴片(Patch)可以是園形、矩形或螺旋形。螺旋形可以認(rèn)為是窄的矩形線，其輻射沿微帶線的邊緣發(fā)生。螺旋形可能對(duì)冰厚度更敏感。
由本發(fā)明人對(duì)共振微帶天線傳感器的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，由于復(fù)蓋的冰、水或煤層厚度變化造成的諧振頻率與電導(dǎo)率的百分比變化能由實(shí)際的儀器檢測(cè)和測(cè)量。已經(jīng)發(fā)展出一種薄的微波帶狀天線傳感器和計(jì)算機(jī)代碼來(lái)確定由于結(jié)冰層變化造成的微波帶狀天線諧振頻率的變化。其結(jié)果是當(dāng)冰層厚度從0.01英寸增加到0.22英寸時(shí)，諧振頻率從2500兆赫茲近乎線性地下降到2150兆赫茲。冰層厚度每變化0.1英寸時(shí)諧振頻率變化140兆赫茲，或者說(shuō)5.6%。0.25英寸的冰層使天線諧振頻率減小14%。
為了更詳細(xì)地研究冰和冰-水層的性狀，在一個(gè)溫度可控的室內(nèi)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)性檢驗(yàn)。在這些檢驗(yàn)中，將一微帶天線放在一淺盤(pán)底部，然后向盤(pán)中加水，每次增加0.1英寸厚度。在每次水深增加之后獨(dú)立地測(cè)量諧振頻率和導(dǎo)電率在一小時(shí)之后待此0.1英寸水層變成冰時(shí)再重復(fù)這一測(cè)量。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表1。
當(dāng)結(jié)冰從零增至0.4英寸的諧振頻率變化了1.9%，這項(xiàng)試驗(yàn)是對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)稱運(yùn)行頻率為821兆赫茲的天線進(jìn)行的。諧振電導(dǎo)變化為66%。當(dāng)把這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果比較時(shí)，得到對(duì)設(shè)計(jì)運(yùn)行頻率為2400兆赫茲左右的天線，預(yù)期變化為14%。諧振頻率的百分比變化與冰厚度及無(wú)線電信號(hào)波長(zhǎng)有關(guān)。在高頻時(shí)，冰層厚度覆蓋無(wú)線電波穿過(guò)空間的波長(zhǎng)的部分較大。所以，隨天線諧振頻率的增高，由于冰層深度造成的諧振頻率變化相應(yīng)地增大。隨著諧振頻率的增高，微波帶狀天線的物理尺寸可以減小。對(duì)冰層的靈敏度及物理尺寸的考慮，表明使用2000兆赫茲頻率范圍為好。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，當(dāng)覆蓋天線的水層為0.1英寸時(shí)，諧振頻率變化24兆赫茲(2.9%)。諧振電導(dǎo)增大60%。與介電常數(shù)為4的冰相比，傳感器能更容易地檢測(cè)出介電常數(shù)為80的水的存在。水和甘油(丙三醇)組成的抗凍混合物顯示出的介電常數(shù)觀測(cè)結(jié)果為24至80之間。所以，水-乙二醇混合物能被這種微帶傳感器檢測(cè)到。
理論和實(shí)驗(yàn)研究還表明，冰深度還能由諧振微帶碎磷天線來(lái)測(cè)量。已發(fā)表文獻(xiàn)中的理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，一個(gè)保護(hù)層(例如八分之一英寸塑料層)將降低微帶碎磷天線的靈敏度。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，保護(hù)層最好盡可能薄。計(jì)算機(jī)模擬表明，可以預(yù)期在天線上每結(jié)冰0.1英寸厚時(shí)，諧振頻率變化6%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明諧振頻率變化2.1%而諧振電導(dǎo)變化34%以上。如果只有0.1英寸水層覆蓋在冰層上，則可預(yù)期諧振頻率減小160兆赫茲(19.4%)。諧振電導(dǎo)可預(yù)期增加188%，這正是在實(shí)際儀器測(cè)量能力范圍內(nèi)。這種儀器設(shè)計(jì)要求測(cè)量天線的諧振頻率和諧振電導(dǎo)二者，以確定冰的厚度，并確定是否存在水層。當(dāng)在層中存在防凍劑或要測(cè)量一個(gè)潮濕層時(shí)，諧振頻率將會(huì)減小，諧振阻抗將顯著變化。
所以，本發(fā)明的一個(gè)目的便是提供一種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于測(cè)定露天表面上冰的存在及其厚度。
本發(fā)明的又一目的，是提供一種裝置，用于測(cè)定機(jī)翼表面上水-甘醇(乙二醇)混合物的冰點(diǎn)。
本發(fā)明的又一目的，是提供一個(gè)系統(tǒng)，用于測(cè)量具有不同含水量的煤層厚度。
本發(fā)明的又一目的，是提供一種自動(dòng)裝置，用于警告駕駛員以免道路或橋梁上因天氣條件造成的災(zāi)害。
本發(fā)明的又一目的，是提供一種自動(dòng)裝置，用于在機(jī)艙中或通過(guò)控制塔警告飛行員以免由于飛機(jī)機(jī)翼上結(jié)冰而造成的災(zāi)害。
本發(fā)明的又一目的，是提供一種自動(dòng)裝置，用于警告發(fā)射控制員以免由于空間飛船液氧槽上的冰積累造成的災(zāi)害。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一個(gè)用于在直徑2英寸孔中嵌入安裝的道路傳感器，這樣可以使用一個(gè)薄的陶瓷接觸傳感器來(lái)測(cè)量和比較緊挨路面或橋面空間的基本物理天線參數(shù)。與微處理機(jī)聯(lián)合進(jìn)行測(cè)量，以鑒別傳感器頭上的干燥的鋪設(shè)路面、水(雨)、雪和冰。測(cè)定周圍表面溫度、水深度和冰/稀泥狀況，以估計(jì)任何水上滑行災(zāi)害和冰/防凍劑/水混合物狀況。傳感器由一個(gè)天線組成，它有一個(gè)諧振頻率和一個(gè)包括實(shí)數(shù)項(xiàng)的輸入導(dǎo)納。這種測(cè)量能確定濕度對(duì)煤層厚度測(cè)量的影響。一個(gè)麥克斯韋(Maxwell)電橋與天線耦合，用于檢測(cè)諧振頻率、輸入導(dǎo)納和實(shí)數(shù)項(xiàng);一個(gè)頻率掃描振蕩器用在該諧振頻率附近的多個(gè)頻率上驅(qū)動(dòng)天線。一個(gè)相敏(phasesensitive)檢測(cè)器確定傳感器微波帶狀天線的諧振頻率和阻抗。第二對(duì)天線用于確定衰減率和相位，從而能得到測(cè)量層的電導(dǎo)(σ)和介電常數(shù)(ε)。微處理機(jī)將電導(dǎo)與介電常數(shù)測(cè)量結(jié)果聯(lián)系起來(lái)，以產(chǎn)生例如冰和水含量及層厚的一對(duì)估計(jì)值。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于所提供的系統(tǒng)能檢測(cè)和測(cè)量露天表面上冰和水的累積層。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)，是所提供的系統(tǒng)能就道路或橋梁中指定地點(diǎn)的實(shí)際結(jié)冰或水上滑行狀況向駕駛員報(bào)警，從而改善高速公路的安全性。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)，在于提供了一種系統(tǒng)，它能確切指出對(duì)飛機(jī)機(jī)翼在何時(shí)何處需要采取去冰和抗凍措施。
本發(fā)明的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是提供了一種系統(tǒng)，它能在煤層電參數(shù)變化的情況下測(cè)量煤層厚度。
在讀過(guò)對(duì)各附圖中所示的最佳實(shí)施例的如下詳細(xì)描述后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)清楚看出本發(fā)明的這些及其他目的和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是本發(fā)明第一儀器實(shí)施例的框圖，該儀器用于檢測(cè)和測(cè)量冰與水的積累;
圖2是示意圖，給出圖1所示儀器的一些選定元件的更多細(xì)節(jié);
圖3是圖1和圖2所示儀器中包括的正交信號(hào)(quadraturesignal)發(fā)生器的框圖;
圖4是本發(fā)明的雙變換第二儀器實(shí)施例一部分的組合示意框圖，該儀器的其余部分與圖1和圖2所示相似;
圖5是本發(fā)明的嵌入式道路傳感器實(shí)施例的側(cè)視圖，該傳感器位于道路中的孔內(nèi)，如截面圖所示;
圖6是本發(fā)明的三天線儀器實(shí)施例，用于測(cè)量冰和水的積累層。
圖7是本發(fā)明的三天線儀器實(shí)施例，用于測(cè)量煤層厚度或測(cè)量抗凍混合物層的損耗角正切值。
圖1給出本發(fā)明的冰層厚度測(cè)量?jī)x器實(shí)施例，這里用參考號(hào)10一般地代表。儀器10包括有碎磷天線12、麥克斯韋電橋14、相位檢測(cè)器16、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)18、正交信號(hào)發(fā)生器(QSG)20、微處理機(jī)系統(tǒng)22以及顯示器24。天線12是環(huán)形碎磷天線，它帶有偏移同軸饋電點(diǎn)，并呈現(xiàn)電導(dǎo)納輸入項(xiàng)Yin。微處理器22向電橋14提供校準(zhǔn)信號(hào)并向發(fā)生器20提供頻率控制信號(hào)、電橋14接收來(lái)自QSG20的可變頻率驅(qū)動(dòng)信號(hào)、儀器10測(cè)量微帶天線12的諧振頻率(fr)和輸入導(dǎo)納值。輸入導(dǎo)納(Y)是Y＝G+iB(1)這里G＝天線的輸入電導(dǎo)，單位西門(mén)子，B＝輸入電納。
在諧振頻率(fr)下，輸入電納(B)將等于零。
利用在電橋14實(shí)現(xiàn)的麥克斯韋電橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行天線導(dǎo)納測(cè)量。電橋輸出信號(hào)(eo)被加到相敏檢測(cè)器(PSD)網(wǎng)絡(luò)26(它由相位檢測(cè)器16和ADC18組成)并由ADC18和微處理機(jī)22的組合來(lái)測(cè)量。在微處理機(jī)22中包含的一個(gè)控制程序利用通過(guò)ADC18得到的信號(hào)ex和ey的一對(duì)測(cè)量值來(lái)計(jì)算導(dǎo)納。微處理機(jī)22還控制QSG20的運(yùn)行頻率，以確定天線12的諧振頻率。這是通過(guò)增大QSG20的輸出頻率(fo)直至測(cè)得的輸入電納(B)達(dá)到零為止而達(dá)到的。
這種電橋測(cè)量必須在天線12內(nèi)包括校準(zhǔn)裝置。天線的連接應(yīng)可以造成開(kāi)路、短路和50歐姆阻抗，以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)信號(hào)。
在完成諧振狀態(tài)下對(duì)頻率和電導(dǎo)的測(cè)量后，用包括特定儀器10標(biāo)識(shí)碼在內(nèi)的數(shù)據(jù)去頻率調(diào)制QSG20的輸出信號(hào)。在例如每當(dāng)檢測(cè)到結(jié)冰的時(shí)候碎磷天線12便運(yùn)行將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)接收機(jī)。多測(cè)量?jī)x器10可以固定在被監(jiān)測(cè)表面，以監(jiān)測(cè)冰的形成。
圖2更詳細(xì)地顯示出電橋14和PSD26。微波帶狀天線12的輸入阻抗是由麥克斯韋爾電橋14、PSD26及QSG20測(cè)量的。需要知道每一個(gè)的數(shù)學(xué)函數(shù)。橋14的方程從網(wǎng)絡(luò)電流環(huán)方程導(dǎo)出，為i1＝ (e)/(R+R) ，(2)
i2＝ (e)/(R+Z) ，(3)這里，Z是天線輸入阻抗，R是電橋電阻值(歐姆)，e＝ESin(2πfrt+Q1)是電橋源電壓，這里，E是電源電壓峰值，fr是QSG20的運(yùn)行頻率(赫茲)，Q1是QSG信號(hào)的相位。
電橋網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓(eo)是eo＝(i2-i1)R (4)將方程(2)和(3)代入方程(4)，得到電橋電壓比Γ，它由電橋阻抗確定Γ＝ (eo)/(e) = (R)/(R + Z) - (R)/(R + R) (5)該比值為-復(fù)數(shù)，可表示為Γ＝︱Γ︱e-iθm(6)這里｜Γ｜是比值的幅值，QM是測(cè)得的相移。
可由下式計(jì)算出天線輸入阻抗Z = 〔12- Г12+ Г〕R ( 7 )]]>為使電橋電壓比Γ隨z的變化達(dá)到極大，可以說(shuō)明電橋R值應(yīng)設(shè)置成等于天線12諧振頻率處z的實(shí)數(shù)值。
對(duì)電橋電壓比(Γ＝eo/e)的測(cè)量要求知道電橋源電壓(e)的幅值和相位，因此需要校準(zhǔn)。通過(guò)使天線12的兩端短路，對(duì)電橋網(wǎng)絡(luò)的觀察表明測(cè)得的輸出電壓(eo)是eo＝ 1/2 e (8)通過(guò)使天線12的兩端開(kāi)路，電橋網(wǎng)絡(luò)輸出電壓變?yōu)閑o＝- 1/2 e (9)開(kāi)路狀態(tài)產(chǎn)生的輸出電壓與短路狀態(tài)的輸出電壓相位相差180度。在這兩種情況下，被校準(zhǔn)電橋輸出電壓的幅值都將是QSG20源電壓(e)的二分之一。正交信號(hào)的幅值是E＝2eo(10)由開(kāi)路和短路的相位數(shù)據(jù)(180°)能完成儀器10的相位校準(zhǔn)。然而，如果相敏檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)使用同步檢測(cè)器，則不需要這種相位數(shù)據(jù)。
電橋輸出信號(hào)可以表示為eo＝ 1/2 |Γ|ESIN(2πfrt+Q1+QM) (11)圖2顯示出PSD26包括一對(duì)混合器30和32，它們分別以電橋14的輸出電壓eo去混合同相注入信號(hào)eI和正交相位注入信號(hào)eQ，表示為eo×eI(12)eo×eQ(13)一對(duì)低通濾波器34和36分別產(chǎn)生電壓ex和ey。多路轉(zhuǎn)換器38受微處理機(jī)22控制，以為ADC18選擇輸入信號(hào)。QSG20輸出的正弦信號(hào)表示為
eI＝ESIN(ωt+Q1) (14)和eQ＝ESIN(ωt+Q1+90°) (15)對(duì)混合器輸出信號(hào)的低通濾波，去掉了所有與頻率有關(guān)的項(xiàng)，只保留了DC(直流)項(xiàng)，如下式表示ex＝ 1/2 |Γ|E2SIN(QM+Q1-Q1) (16)和ey＝ 1/2 |Γ|E2COS(QM+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)跳動(dòng)和漂移。經(jīng)低通濾波的PSD混合器輸出信號(hào)可由相量圖表示。其中的信號(hào)相位由下式給出QM＝TAN-1ex/ey(18)幅值為12｜Г ｜ =e2x+ e2yE2( 19 )]]>電橋電壓比的幅值是
電橋電壓比的幅值由ex和ey的ADC18測(cè)量確定。E值是在儀器10校準(zhǔn)過(guò)程中確定的。在微處理機(jī)22中包含計(jì)算QM，Γ，及Z的例行運(yùn)行程序。
以QSG20為參照，對(duì)于冰和冰-水深度范圍所對(duì)應(yīng)的整個(gè)諧振頻率頻帶(BWM)測(cè)量碎磷天線12的導(dǎo)納。頻率的測(cè)量帶可超過(guò)160兆赫茲(MHz)?？梢栽趤?lái)自微處理機(jī)22的控制信號(hào)的控制下使QSG20的頻率自動(dòng)地上和/或下掃描，直至檢測(cè)到碎磷天線12的諧振頻率。在諧振頻率處，天線輸入導(dǎo)納的虛部(電納)表現(xiàn)為零值。正交無(wú)線電頻率信號(hào)加到電橋14和PSD26網(wǎng)絡(luò)。微處理機(jī)22根據(jù)ex和ey測(cè)量值計(jì)算導(dǎo)納。
尋找天線12的諧振頻率的過(guò)程，可以從預(yù)先確定的測(cè)量頻帶最低處的QSG20輸出頻率開(kāi)始。在這一最低頻率處測(cè)量天線12的導(dǎo)納。然后逐步增加輸出頻率并測(cè)量導(dǎo)納，直至天線的輸入電納顯示出極小值為止。對(duì)于每個(gè)增量式輸出頻率變化，最好使用微波帶狀天線12帶寬內(nèi)的至少10個(gè)不同頻點(diǎn)。由于天線12的3分貝(dB)帶寬點(diǎn)之間的頻率間距約為諧振頻率的3%，所以增量頻率變化最好小于工作頻率的0.003，例如，對(duì)于在800兆赫茲諧振頻率處的增量變化應(yīng)為2.4兆赫茲或更小些。在儀器10中并不嚴(yán)格要求有比這更高的頻率分辨率。
同相(eI)和正交(eQ)無(wú)線電頻率信號(hào)是在QSG20網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的，該網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是帶有在微處理機(jī)22中包含的頻率搜尋程序產(chǎn)生的數(shù)字控制的頻率合成器。
圖3中更詳細(xì)地描繪出QSG20。數(shù)值控制振蕩器(NCO)50包括一個(gè)25兆赫茲振蕩器52、集成電路(IC)裝置54、8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)56以及去假頻濾波器58。NCO50產(chǎn)生的信號(hào)輸出(SIN)，它被加到相位檢測(cè)器60的一個(gè)輸入端，濾波器62讓相位檢測(cè)器60的輸出通過(guò)以控制壓控振蕩器(VCO)64。一個(gè)90°混合電路66產(chǎn)生兩個(gè)正交信號(hào)eI和eQ，它們最好在一個(gè)共同測(cè)量頻帶內(nèi)合成。被128除計(jì)數(shù)器68返回一個(gè)VCO64輸出取樣，以用于鎖相。功率分配器(power splitter)69提供信號(hào)eI的兩個(gè)復(fù)制信號(hào)。VCO64工作在從600兆赫茲至1200兆赫茲的測(cè)量頻帶內(nèi)。VCO64可以由市場(chǎng)能買到的Vari-LVCO-120集成電路構(gòu)成。VCO輸出信號(hào)可以被交替地提供給功率分配器，它向90°混合電路66和除128計(jì)數(shù)器68提供無(wú)線電頻率輸入信號(hào)。90°混合電路66產(chǎn)生直接變換過(guò)程中所需要的正交無(wú)線電頻率信號(hào)，它可以由Adams-RusselJH-140型90°混合電路(它在500兆赫茲至1000兆赫茲頻段內(nèi)提供正交信號(hào))構(gòu)成，其插入損耗(insertionloss)小于0.3分貝。這一單元的正交偏差在整個(gè)頻段小于2°。
在運(yùn)行過(guò)程中，相位檢測(cè)器60和濾波器62迫使NCO信號(hào)(SIN)的頻率和相位與VCO除128信號(hào)的頻率和相位完全相同。除128信號(hào)頻率通常以4.6875兆赫茲延伸到9.3750兆赫茲。如果調(diào)諧帶上邊界頻率由90°混合電路66限定在1000兆赫茲，那么除128信號(hào)頻率極限將是接近于7.8125兆赫茲。
裝置54最好是StanfordTelecom數(shù)控振蕩器(產(chǎn)品號(hào)STEL-1179)，它是一個(gè)CMOS裝置，裝在一個(gè)26針?biāo)芰弦_芯片載體(26-pinplasticleadedchipcarrier)(PLCC)上，它能通過(guò)24位串行接口與微處理機(jī)22相連。裝置54提供頻率合成過(guò)程中所需要的數(shù)字調(diào)諧能力的粗細(xì)程度(granularity)。利用25兆赫茲時(shí)鐘，增量頻率調(diào)諧步長(zhǎng)是1.5赫茲。頻率合成器的總體增量調(diào)諧能力是192赫茲(128×1.5)。VectronCO-442ACMOSCMOS時(shí)鐘振蕩器可以用作為振蕩器52。可以使用MiniCircuits(小電路)低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)去假濾波器58。
eI和eQ無(wú)線電頻率信號(hào)可以以下述兩種方式之一加到電橋14和PSD26上一是如圖2所示的直接變換頻率傳送過(guò)程，另一種是雙變換頻率傳送過(guò)程。直接變換設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單。
圖4給出雙變換方案的一個(gè)舉例。本發(fā)明的第二個(gè)儀器實(shí)施例(這里用總參考數(shù)字80表示)包括天線82、天線開(kāi)關(guān)84、電橋86(包括三個(gè)電阻88-90構(gòu)成的一組電阻及變壓器92)、第一IF混合頻器94、第二IF混頻器96、第一除法器98、第二除法器100、第一功率分配器(powersplitter)102、第一VCO104、電壓轉(zhuǎn)換器106、DAC108、PLL混合器110、第二功率分配器112、第二VCO114、濾波器116、放大器118、相位檢測(cè)器120、第三除法器122以及第四除法器124?；祛l器94接受10.2375兆赫茲的本機(jī)振蕩(LO)頻率，混頻器96使用10.24兆赫茲的本機(jī)振蕩頻率。其結(jié)果是2.5千赫茲的IF頻率，它再送到相敏檢測(cè)器。
在圖1中，這種雙變換線路必須有另一個(gè)中頻(IF)級(jí)放在電橋輸出端口和相敏檢測(cè)器之間。雙變換方案是使eI和eQ信號(hào)只在第二IF頻率產(chǎn)生。加到電橋14和第一IF混頻器的無(wú)線電頻率信號(hào)在測(cè)量頻帶合成，以產(chǎn)生恒定的第一IF信號(hào)頻率。
這樣，直接變換和雙變換利用混頻器、濾波器、以及其他無(wú)線電信號(hào)處理部件來(lái)實(shí)現(xiàn)增頻(up-frequency)變換。混頻器的作用是變換波段，而倍增器和鎖相環(huán)可用于使較低頻信號(hào)的頻率(相位)加倍。所有的無(wú)線電頻率信號(hào)產(chǎn)生于一個(gè)由時(shí)鐘控制的公共晶體，從而能實(shí)現(xiàn)相位相干頻率變換過(guò)程。頻率諧調(diào)能力由信號(hào)頻率的數(shù)字編程實(shí)現(xiàn)。
直接變換方案的另一種構(gòu)成，可以使用頻率倍增器和混頻器來(lái)合成測(cè)量頻帶信號(hào)。增頻變換器電路使用對(duì)NCO輸出信號(hào)的大整數(shù)乘法，造成大于18分貝的變換損失。盡管由于所涉及的乘數(shù)因子的影響會(huì)使頻率分辨率降低，但該分辨率仍然在儀器10的頻率步長(zhǎng)調(diào)諧要求的范圍之內(nèi)。也可以考慮將NCO輸出信號(hào)與600兆赫茲晶體振蕩器信號(hào)混合，從而減小乘數(shù)因子?？梢愿诨祛l器后面使用倍增器來(lái)獲得適當(dāng)?shù)牟ǘ巍＿@種電路方案需要窄帶通濾波器來(lái)壓低不希望的頻率分量?；祛l器頻率變換還需要抑制鏡象頻帶混頻器注入信號(hào)(imagebandmixerinjectionsignal)。當(dāng)在混頻之前對(duì)NCO輸出信號(hào)加倍時(shí)，可以放松對(duì)壓縮不希望信號(hào)的要求?；蛟S也可以使用對(duì)NCO偏移頻帶的帶通濾波。然而在NCO合成輸出信號(hào)頻帶內(nèi)的幅度會(huì)發(fā)生變化。只使用低通濾波器的增頻變換方案要求在頻率變換過(guò)程中使用乘法混頻器。
在圖4所示雙變換過(guò)程中，VCO104由DAC108產(chǎn)生的DC(直流)調(diào)諧電壓控制。一個(gè)微處理器產(chǎn)生一數(shù)字調(diào)諧碼，且后者被串行送到DAC108。VCO104是降頻混頻(mix-down)型PLL的一部分。該P(yáng)LL產(chǎn)生總是與VCO104的測(cè)量頻率相差10.2375兆赫茲的輸出頻率。第一IF信號(hào)頻率總是10.2375兆赫茲，第一IF信號(hào)處于電橋86輸出信號(hào)增益常數(shù)范圍內(nèi)。第一IF輸出信號(hào)在第二混頻器96中與一10.24兆赫茲信號(hào)混頻。2500赫茲的第二IF信號(hào)被加到相敏檢測(cè)器上。10.2375兆赫茲和10.24兆赫茲信號(hào)都是由一個(gè)相干頻率源(CFS)電路產(chǎn)生的，該電路還產(chǎn)生用于PSD混頻器(例如混頻器30和32)所需的正交信號(hào)。
微處理器22(圖1)包含一個(gè)程序，它計(jì)算天線的導(dǎo)納、產(chǎn)生QSG20所需的增量調(diào)諧信號(hào)并完成向遠(yuǎn)距離接收機(jī)傳送數(shù)據(jù)所需要的調(diào)制功能。該微處理機(jī)可以由DallasSemiconductorDS-5000T構(gòu)成，它已經(jīng)按測(cè)量?jī)x器10或80中所需算法編程。DS-5000T包括32K比特的不易失RAM。在對(duì)該單元編程時(shí)使用了標(biāo)準(zhǔn)的Intel80C51型指令集。對(duì)于微處理機(jī)22，最好能在儀器各測(cè)量周期之間關(guān)掉電源從而節(jié)省電源和防止生熱。從斷電狀態(tài)到完成冰厚度測(cè)量大約需要20毫秒。所以儀器10可以在低工作循環(huán)情況下運(yùn)行，因?yàn)樵谝话銘?yīng)用中冰層厚度變化不是很快的。
測(cè)量天線導(dǎo)納需要一個(gè)能確定電橋14或86的輸出電壓比(Γ)的相位的四象限反正切程序。在第二校準(zhǔn)程序中確定電橋信號(hào)幅值(E)。這一數(shù)據(jù)用于第三程序中以計(jì)算天線導(dǎo)納。如果導(dǎo)納不是足夠小，則微處理機(jī)22為頻率發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)增量調(diào)諧信號(hào)，以發(fā)現(xiàn)使天線電納減小的頻率點(diǎn)。
一旦已經(jīng)確定了諧振頻率和電導(dǎo)，在微處理機(jī)22內(nèi)的頻率調(diào)制器程序便使加到天線上的信號(hào)以數(shù)字調(diào)制方式被頻率調(diào)制。這樣，天線的運(yùn)行作用便從傳感器的作用變成更傳統(tǒng)的無(wú)線電發(fā)射機(jī)天線的作用。這種調(diào)制傳送了諧振頻率、電導(dǎo)、冰層厚度、表面溫度以及具體儀器的臺(tái)站源標(biāo)識(shí)數(shù)碼?？梢允褂靡环N“顫抖(dithered)”頻率傳輸方式，以允許多單元運(yùn)行，從而一個(gè)遠(yuǎn)距離接收機(jī)能總是接收所有的傳輸信號(hào)，而在各同時(shí)發(fā)射的儀器之間不發(fā)生超限干擾。
最好在微處理機(jī)22內(nèi)包括一個(gè)休眠計(jì)時(shí)器程序，以減小整個(gè)儀器10和/或80的供電工作循環(huán)時(shí)間?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這種減少供電工作循環(huán)時(shí)間的好處。如果儀器每分鐘工作一次，則最終的工作周期可小到0.0003。例如，估計(jì)儀器10的所需電流接近500毫安。休眠方式電流為100微安。所以，平均電流將只是稍高于100微安。所以可以使用電池對(duì)儀器10供電，并可持續(xù)數(shù)年。為進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命，可以包括一個(gè)表面溫度傳感器用于控制何時(shí)啟動(dòng)發(fā)射機(jī)。例如，當(dāng)溫度接近冰點(diǎn)時(shí)再啟動(dòng)。這樣，一個(gè)整裝齊全的無(wú)人值守的儀器架設(shè)是實(shí)際可行的。
圖5給出本發(fā)明的道路傳感器實(shí)施例，用總參考號(hào)130表示。傳感器130是打算測(cè)量和解釋道路表面的積累，包括冰的存在、冰的厚度、水的存在、泥漿(slush)、雪、抗凍混合物、道路溫度和冰點(diǎn)。傳感器130包括一個(gè)2英寸直徑的外殼132、一個(gè)陶瓷蓋134、一個(gè)微帶天線136、一個(gè)O-環(huán)密封圈138、一個(gè)測(cè)量用印刷電路板(PCB)140、一個(gè)頻率合成和編碼器142、一個(gè)微計(jì)算機(jī)144、一個(gè)溫度傳感器145以及一個(gè)鋰電池146。所有的有源(active)電子部件(例如微計(jì)算機(jī)144)都包括低功耗器件(例如CMOS邏輯)。傳感器130裝在道路150內(nèi)的孔148中。傳感器130的電路構(gòu)成可以包括儀器10或80那樣的電路。
天線136可以包括多種模式的功能，從而使它顯示出兩個(gè)諧振頻率f1和f2。由PCB140鑒別出哪個(gè)頻率正被用作為諧振頻率。
天線136和蓋134的構(gòu)成材料，當(dāng)把傳感器10已布放在例如圖5中的道路150上時(shí)，最好在熱傳導(dǎo)性上與周圍結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性能相匹配。在其他應(yīng)用中，例如在橋梁中，其熱傳導(dǎo)性將最可能需要是混凝土的那種熱傳導(dǎo)性。在飛機(jī)機(jī)翼應(yīng)用中，一般需要接近于鋁的熱傳導(dǎo)性。要求傳感器10的部件熱傳導(dǎo)性與周圍結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性相匹配是重要的，因?yàn)閭鞲衅?0不應(yīng)該比周圍結(jié)構(gòu)較早或較遲達(dá)到結(jié)冰溫度。熱傳導(dǎo)性的差異可能會(huì)促進(jìn)或阻礙精確的瞬時(shí)傳感和由水到冰的相變。
一旦由傳感器130完成了一組測(cè)量，并從溫度傳感器145讀出了表面溫度，便由編碼器142對(duì)道路狀態(tài)編碼并用于調(diào)制一個(gè)傳感器-發(fā)射機(jī)信號(hào)。一個(gè)路邊接收機(jī)152接收來(lái)自多個(gè)傳感器130的多個(gè)這類信號(hào)。然后由接收機(jī)152向路邊的警告信號(hào)標(biāo)志發(fā)出信息。微計(jì)算機(jī)144包括一個(gè)程序，用于周期性“喚醒”傳感器130和使它返回“睡眠”狀態(tài)以節(jié)省電池146的能量消耗。另外，可以使用溫度傳感器145來(lái)控制何時(shí)喚醒傳感器130，例如當(dāng)即將接近冰點(diǎn)并正在發(fā)展結(jié)冰危險(xiǎn)或出現(xiàn)這種威脅的時(shí)候。這樣，電池壽命能延長(zhǎng)到5年或更長(zhǎng)。為了減小各同時(shí)發(fā)射的傳感器130之間的沖突，一種由夏威夷大學(xué)研制并公開(kāi)傳播的“阿羅哈(aloha)”傳輸方案最好能被包含在傳感器中，以使發(fā)射時(shí)間為隨機(jī)時(shí)間。對(duì)于一個(gè)有127個(gè)傳感器的系統(tǒng)，成功傳送的概率能達(dá)到0.0414，而在三次發(fā)射中至少能檢測(cè)到一次的概率為0.9999。
在另一個(gè)實(shí)施例中，接收機(jī)152被裝在車輛中，如裝在轎車、卡車或公共汽車中。警告信號(hào)器156位車內(nèi)，信息154可為駕駛員看到，也可以發(fā)聲宣布以引起注意。
傳感器130可以在物理結(jié)構(gòu)上進(jìn)行修改，以適應(yīng)于應(yīng)用，以用于飛機(jī)和空間飛船中。例如，傳感器130可以嵌在NASS的航天飛機(jī)軌道飛行器的表面上，以檢測(cè)和測(cè)量液氧燃料艙外表面的結(jié)冰情況。接收機(jī)152適應(yīng)于裝在發(fā)射架上并使用RS-232電纜將狀況傳送到位于空間飛行控制中心內(nèi)的顯示器156上。
傳感器130也可以制成適合于與飛機(jī)機(jī)翼表面齊平。這飛機(jī)機(jī)翼受到結(jié)冰作用，如果結(jié)冰超過(guò)具體的臨界厚度就會(huì)造成災(zāi)害。傳感器130也可以制成適于測(cè)量位于跑道旁邊的模擬機(jī)翼表面的結(jié)冰狀況。傳感器130可以放在跑道和滑行道表面。接收機(jī)152適于以RS-232電纜將狀況傳送給位于飛機(jī)交通控制塔內(nèi)的顯示器156。另一種方式是再將信息傳送給具體飛機(jī)的飛行艙，以使飛行員能作出與這些測(cè)量有關(guān)的重要決定。例如，可以在結(jié)冰狀態(tài)警報(bào)期間啟動(dòng)機(jī)翼中裝有的去冰器。
儀器10和80可以修改成包括一對(duì)附加天線，用以協(xié)助確定冰和水的累積厚度或煤層的厚度。圖6所示了儀器160，它包括環(huán)形碎磷天線162、包括3個(gè)電阻166、168和170以及一個(gè)注入變壓器171的麥克斯韋爾電橋164、開(kāi)關(guān)172、第一接收天線174和第二接收天線176、相敏檢測(cè)器(PSD)178、微計(jì)算機(jī)180和直接數(shù)字合成器(DDS)182。天線162、174和176全都嵌入安裝在受冰、雪和/或水的露天積累影響的公共表面上。安裝的天線174的位置與天線162相距半徑尺度為γ1。天線176安裝位置距天線162的半徑尺度為γ2。最好是λ/2π＜γ1＜γ2。天線174和176可以是偶極型的。累積層的電參數(shù)，例如電導(dǎo)率(δ)、介電常數(shù)(ε)和磁導(dǎo)率(μ)，的測(cè)量可采用與Grubb等人在“Borehole measurements of conductivity and dielectric constant in the 300 KHz to 25 MHz frequency range”(“300千赫茲至25兆赫茲頻率范圍內(nèi)電導(dǎo)和介電常數(shù)的井孔內(nèi)測(cè)量”)(Radio Science(無(wú)線電科學(xué))，第11卷第4期，275-283頁(yè)，1976年4月，由美國(guó)地球物理協(xié)會(huì)預(yù)見(jiàn)出版，華盛頓特區(qū))一文中描述的方法相似的方法進(jìn)行。
開(kāi)關(guān)172暫時(shí)的位置使天線174與PSD178相連，從而使微計(jì)算機(jī)180可以收集ex和ey各值。然后開(kāi)關(guān)172的位置被變換成使天線176與PSD178相連，從而使微計(jì)算機(jī)180可以收集第2組ex和ey各值。天線174產(chǎn)生E1＝EO(e－ikrl)/(r1) (21)
而天線176產(chǎn)生E2＝EO(e－ikr2)/(r2) (22)這里K＝β-iα(23)β是相位常數(shù)，以弧度/米為單位，α是衰減率，以奈培(neper)/米為單位，于是-ikr1＝-iβr1-αr1(24A)-ikr2＝-iβr1-αr2(24B)于是E1=EOr 1e- i β r1e- a r1, ( 25 )]]>且E2=EOr 2e- i β r2e- a r2, ( 26 )]]>若γ1和γ2為已知，信號(hào)的衰減或幅值變化(以奈培為單位)由下式給出
對(duì)于相位，其相移(以弧度為單位)由下式給出△Q＝-β(γ1-γ2) (28)這里△Q是測(cè)得的相移。根據(jù)Grubb等的文章，如果天線174和176的信號(hào)(A1和A2)的幅值和相位是已知的，那么
β＝ (△Qr)/(r2- r1) (29)單位是弧度/米，且α =Ln ｜E1E2｜ - L n ｜r1r2｜( r2- r1)( 30 )]]>單位是奈培/米。
根據(jù)Heaviside，這里β是相位常數(shù)，單位弧度/米，β = ω ［μ ε2〔 ［ 1 + (σε ω)2］12+ 1 〕］12,( 31 )]]>而α是衰減率，單位奈培/米，α = ω ［μ ε2〔 ［ 1 + (σε ω)2］12- 1 〕］12,( 32 )]]>能夠得到損耗常數(shù)σ/ωε。由此能得出Re(Yin)與厚度的經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出關(guān)系，或者可以使用一個(gè)分析表達(dá)式來(lái)得到累積層厚度和/或水-乙二醇濃度的答案。
圖7所示儀器160是適用于感知煤層的。當(dāng)接近煤層放置時(shí)，天線162、174和176可以得出損耗角正切，從而在即使煤層內(nèi)濕度變化時(shí)也能估計(jì)出煤層厚度。當(dāng)要確定抗凍冰點(diǎn)時(shí)使用這種儀器結(jié)構(gòu)。
雖然利用最佳實(shí)施例描述了本發(fā)明，應(yīng)該理解本說(shuō)明不應(yīng)被解釋成一種限制。對(duì)于那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在讀過(guò)上述說(shuō)明后，會(huì)明了各種變化和修正。例如，這里描述的儀器可以用于測(cè)量開(kāi)口通道的液體流，例如通過(guò)測(cè)量槽的污水。半固體油的積聚是污水流測(cè)量的一個(gè)常見(jiàn)誤差源，它可以由它的特征性介電常數(shù)(和水的介電常數(shù)顯著不同)來(lái)鑒別。因此，所附權(quán)利要求應(yīng)被理解為覆蓋屬于本發(fā)明真正精神和范圍內(nèi)的所有變體和修改。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量系統(tǒng)，包括一個(gè)天線，用于放在受到冰和/或水層積累的表面位置，并具有一個(gè)諧振頻率和含有實(shí)數(shù)項(xiàng)的輸入導(dǎo)納；與該天線耦合的麥克斯韋電橋裝置，用于檢測(cè)所述諧振頻率、所述輸入導(dǎo)納和所述實(shí)數(shù)項(xiàng)；以及頻率掃描裝置，用于在接近于所述諧振頻的多個(gè)頻率上驅(qū)動(dòng)天線，其中所述諧振頻率、所述輸入導(dǎo)納和所述實(shí)數(shù)項(xiàng)可以被確定。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括相敏檢測(cè)裝置，用于確定衰減率和相位，從而確定與所述層有關(guān)的導(dǎo)電率(σ)和介電常數(shù)(ε)測(cè)量;以及計(jì)算裝置，用于與所述電導(dǎo)率和介電常數(shù)測(cè)量相關(guān)聯(lián)以確定冰和水的含量、抗凍的冰點(diǎn)以及層厚度。
3.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，還包括通信裝置，用于將所述估計(jì)值傳送到一個(gè)無(wú)線電接收機(jī)。
4.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述接收機(jī)適于放置在飛機(jī)控制塔內(nèi)并包含圖形裝置以顯示來(lái)自飛機(jī)表面?zhèn)鞲衅鞯慕Y(jié)冰狀況。
5.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述接收機(jī)適于放置在機(jī)動(dòng)車輛中并包含圖形裝置以向所述機(jī)動(dòng)車輛的駕駛員顯示結(jié)冰狀況。
6.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述接收機(jī)適應(yīng)于放在道路旁邊，用以啟動(dòng)一個(gè)信號(hào)標(biāo)志以向駕駛員發(fā)出道路災(zāi)害警報(bào)。
7.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中通信裝置還包括頻率/相位調(diào)制裝置，用于調(diào)制頻率掃描裝置，以將調(diào)制過(guò)的無(wú)線電發(fā)送信號(hào)加到傳感器天線上，其中傳感器天線是作為測(cè)量之間的發(fā)射天線;以及編碼裝置，用于將所述估計(jì)值變換成調(diào)制信號(hào)加到頻率調(diào)制裝置上。
8.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括用于向系統(tǒng)供電的電池;以及自動(dòng)供電和暫停供電裝置，用于使系統(tǒng)周期性循環(huán)工作，其中電池的平均功率消耗被降低了。
9.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，還包括溫度傳感裝置，用于提供表面溫度從而可以確定冰點(diǎn)和控制自動(dòng)供電和暫停供電裝置。
10.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括溫度傳感裝置，用于確定所述天線附近表面的溫度。
11.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，還包括系統(tǒng)外殼，用于將系統(tǒng)齊平嵌入道路中，這里可以確定道路上水深度及冰/稀泥狀況，以周期性地向無(wú)線電接收機(jī)發(fā)送任何水上滑行災(zāi)害和冰/防凍劑/水混合物的信息。
12.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，還包括系統(tǒng)外殼，用于將系統(tǒng)嵌入飛機(jī)機(jī)翼表面，這里可以確定結(jié)冰狀況并將信息周期性地傳送給無(wú)線電接收機(jī)。
13.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，還包括向系統(tǒng)供電的電池;自動(dòng)供電和暫停供電裝置，用于使系統(tǒng)周期性地循環(huán)工作，其中電池的平均功率消耗被降低了;系統(tǒng)外殼，用于將系統(tǒng)齊平嵌入受到氣候條件影響的表面中，其中可以確定水的深度和冰/稀泥狀況，并周期性地將冰/防凍劑/水混合物信息發(fā)送給無(wú)線電接收機(jī)。
14.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中天線包括具有接近于主要構(gòu)成所述表面位置的材料具有的熱傳導(dǎo)性的熱傳導(dǎo)性的材料。
15.檢驗(yàn)和測(cè)量露天表面上積累物的一種方法，該方法由以下步驟組成通過(guò)利用經(jīng)麥克斯韋爾電橋與所述碎磷天線耦合的相敏檢測(cè)器來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相量(phasor)ex和ey，確定靠近所述表面積累物的碎磷天線導(dǎo)納(Yin);調(diào)整用于激發(fā)所述碎磷天線的信號(hào)的頻率，從而檢測(cè)出諧振狀態(tài);測(cè)量第一和第二接收天線的相位和幅值，這兩個(gè)天線與所述碎磷天線分別相距預(yù)定距離r1和r2;以及由所述相位和幅值計(jì)算損耗角正切，其中所述損耗角正切用于檢索一組經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出的函數(shù)以獲得對(duì)所述表面層的厚度或水-抗凍劑混合物的估計(jì)值。
16.測(cè)量煤層厚度的一種方法，它將損耗角正切用于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出的和解析的函數(shù)以確定所述厚度，該方法由下述步驟組成通過(guò)利用經(jīng)麥克斯韋電橋與所述碎磷天線耦合的相敏檢測(cè)器來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相量ex和ey，確定靠近所述煤層的碎磷天線導(dǎo)納(Yin);調(diào)整用于激發(fā)所述碎磷天線的信號(hào)的頻率，從而檢測(cè)出諧振狀態(tài);測(cè)量第一和第二接收天線的相位和幅值，這兩個(gè)天線與所述碎磷天線分別相距預(yù)定的距離r1和r2;以及由所述相位和幅值計(jì)算損耗角正切，并檢索出一個(gè)經(jīng)導(dǎo)出的和解析的函數(shù)以估計(jì)所述煤層的厚度。
全文摘要
一種測(cè)量系統(tǒng)，包括一個(gè)天線，用于放在受到冰和/或水層積累的表面位置，并具有一個(gè)諧振頻率和含有實(shí)數(shù)項(xiàng)的輸入導(dǎo)納；與該天線耦合的麥克斯韋電橋裝置，用于檢測(cè)所述諧振頻率、所述輸入導(dǎo)納和所述實(shí)數(shù)項(xiàng)；以及頻率掃描裝置，用于在接近于所述諧振頻的多個(gè)頻率上驅(qū)動(dòng)天線，其中所述諧振頻率、所述輸入導(dǎo)納和所述實(shí)數(shù)項(xiàng)可以被確定。
文檔編號(hào)G01R23/07GK1094812SQ9312067
公開(kāi)日1994年11月9日 申請(qǐng)日期1993年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月30日
發(fā)明者L·G·斯托拉齊克, G·L·斯托拉齊克 申請(qǐng)人:林姆技術(shù)有限公司