結(jié)冰傳感器

一、產(chǎn)品概述：

JS-GD系列光纖式結(jié)冰傳感器是一種檢測飛機(jī)、輸電線、建筑、道路、風(fēng)力發(fā)電葉片等物體表面結(jié)冰厚度的傳感器，通過結(jié)冰傳感器可以將結(jié)冰信號轉(zhuǎn)換為可以直接檢測的電學(xué)信號。

光纖式結(jié)冰傳感器是用兩根同心結(jié)構(gòu)的光纖，中心圓形為發(fā)射光纖，可以發(fā)出紅外光；外圍圓環(huán)形為接收光纖，可以接受和檢測散射和反射回來的紅外光。光纖探頭端面是一個(gè)平面玻璃，玻璃上沒有結(jié)冰時(shí)，發(fā)射光纖發(fā)射的紅外光全部透光玻璃端面進(jìn)入空氣，接收光纖接收不到任何紅外光；當(dāng)玻璃端面上有結(jié)冰時(shí)，發(fā)射光纖發(fā)出的部分紅外光由于被冰層散射和反射而被接收光纖接受。通過檢測接收光纖接收到的紅外光的強(qiáng)弱，達(dá)到檢測結(jié)冰的目的。

二、產(chǎn)品特點(diǎn)：

1、JS-GD系列光纖式結(jié)冰傳感器傳感器是一種數(shù)字化冰厚測量儀器，它集成了國內(nèi)與國外諸多技術(shù)，具有體積小、功耗低、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)2、標(biāo)準(zhǔn)RS232/485/USB/zigbee/藍(lán)牙通訊功能，支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊協(xié)議，可以通過有線連接、局域網(wǎng)連接、光纖連接、Modem連接、GPRS移動(dòng)通訊、數(shù)傳電臺、3G通訊、衛(wèi)星通訊等多種通訊方式與氣象站接收服務(wù)器組成氣象監(jiān)測系統(tǒng)。

GPRS移動(dòng)通訊技術(shù)是由我公司的新一代分組轉(zhuǎn)移傳輸模式，該模式允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。GPRS永遠(yuǎn)在線，按流量計(jì)費(fèi)，從而提供了一種、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、點(diǎn)多分散、中小流量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。

3、冰厚測量管理軟件WINDOWS2000以上環(huán)境運(yùn)行并支持新WIN7x32位和x64位操作系統(tǒng),實(shí)時(shí)顯示各路數(shù)據(jù)，每隔1秒自動(dòng)更新一次，每組數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲（存儲時(shí)間可以設(shè)定）。支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)下載，可以定時(shí)下載或手動(dòng)模式下載數(shù)據(jù)，與打印機(jī)相連自動(dòng)打印存儲數(shù)據(jù)，生成標(biāo)準(zhǔn)氣象圖文報(bào)表及統(tǒng)計(jì)分析曲線、圖形表盤或二維圖表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲格式有EXCEL、TXT、PDF、JPEG、HTML等多種格式，可供其它軟件調(diào)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理并擁有強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫管理功能。友好的界面美觀得體、方便易用，具有故障診斷提醒服務(wù)便于用戶盡快找出設(shè)備問題所在處。可以同時(shí)采集管理多套氣象站數(shù)據(jù)，支持組網(wǎng)氣象站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。支持RS232、RS484、GPRS、LAN以及無線電臺與下位機(jī)通訊。使用氣象數(shù)據(jù)采集儀SD卡存儲數(shù)據(jù)可通過軟件進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)智能上傳。

5、電源供電系統(tǒng)有市電220V、直流5V、12V和太陽能供電系統(tǒng)多種方式進(jìn)行選擇。氣象數(shù)據(jù)采集器配備有綠色節(jié)能電源管理模塊系統(tǒng)，如使用太陽能系統(tǒng)方式供電，可保證連續(xù)陰雨天情況下十天無斷電穩(wěn)態(tài)工作。

6、配備新一代外接控制管理模塊，通過該管理模塊可以外接氣象信息顯示屏，用于實(shí)時(shí)顯示氣象數(shù)據(jù)和其它業(yè)務(wù)信息。它適于顯示文字、文本、圖形、圖像、動(dòng)畫等各種信息，可在室外全天候運(yùn)行。該設(shè)備是在公共場所進(jìn)象數(shù)據(jù)顯示及信息發(fā)布和企業(yè)形象宣傳的有效工具和良好窗口。同時(shí)該管理模塊可以控制管理外接設(shè)備的工作狀態(tài)，例如外接報(bào)警系統(tǒng)的的啟動(dòng)和關(guān)閉。

三、基本原理和數(shù)據(jù)

傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為探頭分布模式的設(shè)計(jì)、光纖的選擇、件和接收器件的選用以及前置放大器的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面.其中探頭分布模式的設(shè)計(jì)是其核心部分, 它決定了光纖式結(jié)冰傳感器的輸出特性.

以Y 型傳導(dǎo)型光纖為基本結(jié)構(gòu)的光纖式結(jié)冰傳感器，如上圖所示.當(dāng)傳感器探測頭端面無結(jié)冰發(fā)生時(shí), 發(fā)射光將沿發(fā)射光纖射入空氣, 接收光纖探測不到任何發(fā)射光.當(dāng)探測表面有冰結(jié)成時(shí),光在冰層內(nèi)產(chǎn)生反射、散射、透射和吸收等現(xiàn)象 其中冰層-空氣界面的反射光以及在冰層內(nèi)的部分散射光經(jīng)傳感器探頭端面進(jìn)入接收光纖,接收光纖末端裝有光電二極管及信號處理電路,通過接收光信號的強(qiáng)度檢測出冰厚狀態(tài)信息.

1.1原理圖                                1.2接受光源與冰層厚度對比曲線                 

本光纖式結(jié)冰傳感器采集的是冰層-空氣界面的反射光以及在冰層內(nèi)的散射光, 其中對反射光的檢測與反射式光強(qiáng)調(diào)制型光纖位移傳感器有一定的相似性.光纖位移傳感器的信號輸出-位移特性曲線的形狀取決于光纖探頭的分布模式.根據(jù)測量范圍及靈敏度的不同要求, 可以選擇不同的探頭光纖分布模式, 如隨機(jī)分布、半圓分布、同心圓分布等.由這些不同模式的響應(yīng)曲線可知, 在同心圓分布模式下,對其探測曲線的前坡部分進(jìn)行分析處理可得到較高的靈敏度.鑒于同心圓分布結(jié)構(gòu)對稱、工藝制作方便, 且有利于提高檢測靈敏度等優(yōu)點(diǎn), 因而選擇同心圓分布作為本傳感器光纖探頭的分布模式.采用的光纖探頭結(jié)構(gòu)為內(nèi)圈的發(fā)射光纖與外圈的接收光纖呈同心圓分布, 具有較高的耦合效率.

2.1光路分析與冰厚測量

分有無結(jié)冰兩種情形分析同心圓分布模式的傳感器探頭表面光學(xué)現(xiàn)象, 如下圖所示.對有結(jié)冰情形進(jìn)行了簡化, 假設(shè)生成的冰為均勻介質(zhì).

a.探頭表面無結(jié)冰發(fā)生.由全反射原理可知, 當(dāng)光由光密介質(zhì)(光纖)射入到光疏介質(zhì)(空氣)的光滑分界面, 且入射角θ0 大于臨界角θm時(shí), 入射光將會發(fā)生全反射.在本試驗(yàn)研究中, 光纖-空氣界面的臨界角θm1 =40°, 探頭表面的入射光入射角為θ0max =14 .6°<θm1 , 故入射光不可能發(fā)生全反射.此時(shí), 入射光分成兩部分:一部分穿過光纖-空氣界面進(jìn)入空氣;另一部分在光纖-空氣發(fā)射, 即I0 =I1(反射)+I2(折射),接收光纖探測不到任何發(fā)射光.

b .探頭表面有結(jié)冰發(fā)生.當(dāng)探頭表面發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象, 入射光線由光纖射入到冰層時(shí), 也可能會發(fā)生全反射.本試驗(yàn)研究中, 光纖-冰層界面的臨界角θm2 =58°, θ0max <θm2 , 故在光纖內(nèi)傳播的光線不會發(fā)生全發(fā)射.此時(shí), 入射光也分成兩部分:一部分穿過光纖-冰層界面進(jìn)入冰層內(nèi)部;另一部分在光纖-冰層界面發(fā)生反射, 即I0 =I1(反射)+I2(折射), 如圖2 所示, 反射光沒有通過界面, 不能被接收光纖探測到, 形成光能損失.    

反射光通量與入射光通量之比稱為反射比,通常以ρ表示,

，（1）式中θ0 和θ1 分別為入射角和折射角.當(dāng)光垂直或以很小的入射角入射時(shí), 上式中的正弦和正切函數(shù)均可用角度的弧度值代替, 再考慮折射定律, 則上式可簡化為

，（2）式中:n′為折射光所在介 質(zhì)的折射率;n 為入射光所在介質(zhì)的折射率.

由式(1)和(2)可知, 在光纖-冰層界面的光反

射比為0 .6 %, 即99 .4 %的光將折射進(jìn)入冰層, 光能損失很小.進(jìn)入冰層內(nèi)的光I2 繼續(xù)傳播而發(fā)生散射和吸收, 即I2 =I3(散射)+I4(吸收)+I5 , 當(dāng)其到達(dá)冰層-空氣界面時(shí), 再次發(fā)生反射和折射,則此時(shí)有I5 =I6(反射)+I7 (折射).在冰層增長初期, 冰層-空氣界面產(chǎn)生的反射光I 6 和冰層內(nèi)的散射光I3 均有較大部分被接收光纖所捕獲, 并且兩者之和在某一冰厚處達(dá)到極大值.隨著冰厚的增加, 冰層-空氣界面反射光減弱, 冰層內(nèi)以散射光為主, 當(dāng)冰層達(dá)到某一厚度以后, 冰層-空氣界面的反射光基本消失, 只有部分散射光I3 能被接收光纖所捕獲.

2.2冰厚測量原理

光學(xué)材料透明程度的參數(shù)可用吸收系數(shù)來表示, 定義為單位光程長度上所吸收的入射能量比[ 11] .對于冰的吸收系數(shù), 定義[ 11]為，（3）式中:I 0 為入射光強(qiáng);I x 是冰表面下x 處的光強(qiáng);R 為反射系數(shù);α為吸收系數(shù).式(3)定的吸收系數(shù)不僅包括了真正被吸收的光強(qiáng), 還包括了散射的光強(qiáng).光由I0 減弱至I x , 則吸收了I 0 -I x =I0(1 -e-αx )部分光強(qiáng).

由以上分析可知, 接收光纖接收到的光信號強(qiáng)度和冰層厚度有關(guān), 通過檢測接收光信號的強(qiáng)度及變化趨勢, 可達(dá)到測量冰厚的目的.

2.3　測量及處理電路設(shè)計(jì)

由于在光源功率一定的情況下, 接收光纖探測到的光信號較微弱, 故光電檢測電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的組成部分.光纖結(jié)冰傳感器將接收到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓信號, 具有其他結(jié)冰傳感器所不具備的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn).同時(shí), 作為光強(qiáng)調(diào)制型傳感器, 它又存在致命的缺陷:由于采用光強(qiáng)作為信息載體, 不可避免地要受光電探測器噪聲、前置放大器零漂、光源功率波動(dòng)、光纖傳輸損耗以及環(huán)境雜散光等因素的影響

因此, 要想獲得高精度和高穩(wěn)定性的測量結(jié)果, 必須采取有效措施克服這些因素的影響.以調(diào)制解調(diào)技術(shù)為例, 將發(fā)光二極管調(diào)制成某一固定頻率的脈沖光, 而由背景光引起的誤差信號通常為緩變的準(zhǔn)直流信號或隨機(jī)信號.這樣, 到達(dá)光電探測器的信號即為由待測信號調(diào)幅的載波交變信號, 只要在后續(xù)電路中加上參考頻率與光源調(diào)制頻率相同的鎖定放大器, 即可濾去上述誤差信號.最后, 再經(jīng)過低通濾波等措施即可將調(diào)幅載波信號恢復(fù)成與待測量成正比的直流輸出。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)光纖式結(jié)冰傳感器對光電信號檢測的要求, 構(gòu)建了結(jié)冰檢測試驗(yàn)平臺.試驗(yàn)平臺由半導(dǎo)體制冷器件(主要用于在其工作臺面生成冰層)、激光探頭(用于測量冰層厚度)以及具有同心圓分布模式探頭的光纖式結(jié)冰傳感器等構(gòu)成

                            圖3　探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

依照上述的探頭設(shè)計(jì), 在試驗(yàn)溫度為-10 ℃和-20 ℃情況下, 通過此試驗(yàn)平臺得到光纖式結(jié)冰傳感器對明冰和霜冰的輸出電壓-冰厚特性曲線, 如圖4 .1所示.圖4.1 中的橫坐標(biāo)表示冰層厚度,縱坐標(biāo)為傳感器輸出電壓, 該值與耦合進(jìn)接收光纖的光強(qiáng)成正比.由4 圖可知, 不同結(jié)冰類型的電壓-冰厚特性曲線互不相同.

4.1輸出電壓信號和冰層厚度的對比曲線

4.2不同溫度下的電壓-冰厚特性曲線

-10 ℃條件下生成的明冰, 冰體幾乎透明,發(fā)射光纖中的光進(jìn)入冰層后發(fā)生散射或在冰層-空氣界面發(fā)生反射.當(dāng)冰層很薄時(shí), 接收光纖接收的信號主要為界面的反射光.隨著冰厚的增長, 散射光和反射光同時(shí)增強(qiáng), 兩者之和在0 .6 mm 冰厚附近達(dá)到極大值, 此時(shí)電壓值約為1 .9 V , 因此曲線前坡較陡.隨著冰厚的增加, 界面反射光減弱, 以散射光為主, 因此傳感器輸出降低, 圖4 中反映為曲線的后坡較為平緩.當(dāng)冰厚增加到3 .7mm 后, 界面反射光基本消失, 僅部分散射光被接收光纖所捕獲, 故隨著冰厚繼續(xù)增加, 傳感器輸出變化并不明顯, 電壓值基本保持在0 .3 V 左右.

對于-20 ℃條件下生成的霜冰, 其特性曲線與明冰時(shí)完全不同.霜冰是一種Mie 散射介質(zhì),散射強(qiáng)度很大, 因此冰體的光透過率低, 約為3 %～ 5 %.發(fā)射光纖中的光進(jìn)入冰層后以散射為主， 隨著冰層厚度的增加, 進(jìn)入接收光纖的散射光越來越強(qiáng), 在2 .5 mm 冰厚處到達(dá)飽和.

由以上分析可知, 電壓不僅和冰厚之間存在著一定的對應(yīng)關(guān)系, 還與結(jié)冰種類有某種聯(lián)系.從而在已知電壓變化的情況下, 可間接獲得冰厚以及結(jié)冰種類。

四、產(chǎn)品特點(diǎn)：

1、JS-GD系列光纖結(jié)冰傳感器主要應(yīng)用測量高精度冰厚

2、非接觸的冰厚測量原理 

3、條件下可靠的傳感器

4、較高的測量精度

5、傳感器節(jié)能運(yùn)行 

6、JS-GD系列光纖結(jié)冰傳感器體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用簡單方便

五、技術(shù)指標(biāo)：

六、安裝方法

安裝環(huán)境：安裝在周圍干擾（光線太強(qiáng)、電磁干擾等）最小的地方。由于本產(chǎn)品有非接觸式的型號，所以可以距離冰面30mm的高度測量冰厚不超過3m的冰層，所以接觸式的貼冰面安裝，非接觸式的固定距離內(nèi)支架固定安裝。

七、常見故障

八、檢測性能

衡量結(jié)冰傳感器檢測性能的參數(shù)主要有：分辨率、靈敏度、溫度系數(shù)、準(zhǔn)確度、度等。

分辨率是指結(jié)冰傳感器能夠感知的最小結(jié)冰厚度。

靈敏度是指結(jié)冰厚度變化與結(jié)冰傳感器輸出變化的比值。

溫度系數(shù)是指沒有結(jié)冰信號時(shí)，結(jié)冰傳感器的輸出變化與溫度變化的比值。

準(zhǔn)確度是指用結(jié)冰傳感器對同一結(jié)冰厚度進(jìn)行檢測，得到一系列數(shù)據(jù)，這一系列數(shù)據(jù)的中心點(diǎn)與實(shí)際結(jié)冰厚度的接近程度。

度是指上述一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)相對于其中心點(diǎn)的分散程度。