水库、河流、湖泊、海洋、冰川等冰层厚度及冰层内部生消变化一直是国内外水文、地质、气象、环境保护、防汛减灾与水电工程等多个科研与工程应用领域研究内容。北方凌汛威胁黄河流域沿岸人民的生命和各种水电大坝安全，实现冰凌灾害的预报与防治首先需要解决的问题就是掌握河流冰层厚度及冰生消变化的规律。近年来全球气温升高，极地冰川消融，成为影响人类生存环境的重要冈素，全球气候变暖引起的人类生活环境的变化与影响已成为21世纪人类最为关心的问题之一。通过对南、北极冰川和海冰厚度变化的观测，可以为分析全球气候变化提供最直接的气象水文资料。
冰层厚度检测现有水位测量法、机械式冰层厚度检测法、利用冰水导电率差异的冰层厚度测量法、电磁感应冰层厚度检测法和脉冲雷达检测法。电容式冰层厚传感器利用冰水电介质差异的冰层厚度检测法进行检测。
2 空气、冰与水的电容值随温度变化特性
由物理学可知c=εrs/d，电容量的大小取决于介电常数εr、极板面积s和极板间的距离d。对两极板间距离d与板间面积s固定的电容器，其电容值C随极板间介质的介电常εr数不同而变化。常温下，空气的介电常数约为1，水的介电常数为80，而冰的介电常数为3～4。因此，当两极板间的介质分别是空气、冰和水时，电容器所反映的电容量各不相同。
由于温度的改变，介质的介电常数会发生变化，电容值也会随之改变。实验中作者选用平行板电容器对空气、冰和水在11～-20℃进行电容值测量，得到的结果如图1所示。对曲线结果进行分析可以看出，由于空气为非极性电介质，电容值随温度变化数值变化不大，基本保持在0.2～0.4 nF。水和冰的电容值随温度变化较为灵敏。从11～0℃，水的电容在21～34μF单调减小，在接近零度时，水开始结冰，因为水的物理形态由液态转为固态的冰，其介电常数相差很大，电容值会发生一阶跃跳变，在0～-20℃，冰的电容在5～68 nF单调减小。
3 冰层厚度检测的基本原理
基于对空气、冰与水的电容值随温度变化特性结果的分析，我们采用图2所示检测装置实现对冰层厚度与冰下水位的连续自动化检测。
在对河冰或海冰检测过程中，在立体空间环境中主要涉及三种被检测物质，即：冰上表面空气、冰层和冰下水。如果把平行板电容器的极板面积和间距固定，让极板之间填充被检测的介质（空气、冰或水），则平行板电容的电容值就由待测介质的介电常数εr决定。检测时，将图2中右边涉及的平行板电容器与开关电路封装成一柱状装置并垂直放置于待测点，使电容检测装置的极板间被冰下水、冰层和冰上表面空气填充，每个极板与片选开关相连。通过程序控制，单片机可以控制片选电路依次选通开关1到开关n。通过电容/频率转换电路，将不同垂直高度的平行板电容值转换为相应的频率值。为了消除相对介电常数的变化对测量结果的影响，在电容检测装置底部设置了一个参考极板。参考极板位于水中，与电容/频率转换电路2相连，其他检测极板通过片选电路，与电容/频率转换电路1相连。电容/频率转换电路1，2完全相同。单片机接收两路电容/频率转化电路传递过来的频率值。因为冰和水电容特性差别很大，所以从不同介质传递过来的频率值差别也会很大。以参考极板的频率值为基准，检测极板的频率值与其进行比较，当检测极板与参考极板的频率值相同或相近时，认为该极板处于水中；否则认为极板处于冰中。当相邻极板分别处于冰和水中时，就确定出冰的下界面，同时计算出冰下水的高度。由于空气的介电常数基本不受温度影响，我们可以单独量化出空气的电容范围，再转化为空气频率范围，并以此来判断极板处的介质是否为空气。当相邻极板分别处于冰和空气，确定冰的上界面。根据冰层上、下界面，就可以计算出冰层厚度。
4 实验及结论
选用一种平行板电容式传感器并按照上述思路进行冰厚测量实验，如图3所示。平行板极板为长1 cm、宽3 cm的长方形覆铜板，两个极板间隔为1 mm。极板分布在固定框架的两侧，其中一侧极板共极，另一侧极板接入片选电路。基于电容检测的原理，整个电极并不需要和介质直接接触。整个传感器是封闭的，极板及其导线都密封在固定框架中。电容/频率转换电路采用RC多谐振荡电路。MSP430单片机控制片选路，分别对模拟冰水下界面和冰空气上界面两种情况进行了测试。在下界面测试中，冰的频率值为2.7 MHz，水的频率值为35 Hz。在上界面测试中，冰的频率值为2.7 MHz，空气的频率值为4 MHz,如图4～6所示。
