JS-GD系列 光纖式結冰傳感器-形態分析儀

一、產品概述：

JS-GD系列光纖式結冰傳感器是一種檢測飛機、輸電線、建筑、道路、風力發電葉片等物體表面結冰厚度的傳感器，通過結冰傳感器可以將結冰信號轉換為可以直接檢測的電學信號。

光纖式結冰傳感器是用兩根同心結構的光纖，中心圓形為發射光纖，可以發出紅外光；外圍圓環形為接收光纖，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平面玻璃，玻璃上沒有結冰時，發射光纖發射的紅外光全部透光玻璃端面進入空氣，接收光纖接收不到任何紅外光；當玻璃端面上有結冰時，發射光纖發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弱，達到檢測結冰的目的。

二、產品特點：

1、JS-GD系列光纖式結冰傳感器傳感器是一種數字化冰厚測量儀器，它集成了國內與國外諸多*技術，具有體積小、功耗低、測量精度高等優點2、標準RS232/485/USB/zigbee/藍牙通訊功能，支持標準MODBUS通訊協議，可以通過有線連接、局域網連接、光纖連接、Modem連接、GPRS移動通訊、數傳電臺、3G通訊、衛星通訊等多種通訊方式與氣象站接收服務器組成氣象監測系統。

GPRS移動通訊技術是由我公司*的新一代分組轉移傳輸模式，該模式允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。GPRS永遠在線，按流量計費，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務。特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、點多分散、中小流量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。

3、冰厚測量管理軟件WINDOWS2000以上環境運行并支持新WIN7x32位和x64位操作系統,實時顯示各路數據，每隔1秒自動更新一次，每組數據自動存儲（存儲時間可以設定）。支持實時數據和歷史數據下載，可以定時下載或手動模式下載數據，與打印機相連自動打印存儲數據，生成標準氣象圖文報表及統計分析曲線、圖形表盤或二維圖表數據，數據存儲格式有EXCEL、TXT、PDF、JPEG、HTML等多種格式，可供其它軟件調用進行統計分析處理并擁有*數據庫管理功能。友好的界面美觀得體、方便易用，具有故障診斷提醒服務便于用戶盡快找出設備問題所在處。可以同時采集管理多套氣象站數據，支持組網氣象站數據統計。支持RS232、RS484、GPRS、LAN以及無線電臺與下位機通訊。使用氣象數據采集儀SD卡存儲數據可通過軟件進行歷史數據智能上傳。

5、電源供電系統有市電220V、直流5V、12V和太陽能供電系統多種方式進行選擇。氣象數據采集器配備有綠色節能電源管理模塊系統，如使用太陽能系統方式供電，可保證連續陰雨天情況下十天無斷電穩態工作。

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，用于實時顯示氣象數據和其它業務信息。它適于顯示文字、文本、圖形、圖像、動畫等各種信息，可在室外全天候運行。該設備是在公共場所進行氣象數據顯示及信息發布和企業形象宣傳的有效工具和良好窗口。同時該管理模塊可以控制管理外接設備的工作狀態，例如外接報警系統的的啟動和關閉。

三、基本原理和數據

傳感器結構設計主要分為探頭分布模式的設計、光纖的選擇、發射器件和接收器件的選用以及前置放大器的設計等幾個方面.其中探頭分布模式的設計是其核心部分, 它決定了光纖式結冰傳感器的輸出特性.

以Y 型傳導型光纖為基本結構的光纖式結冰傳感器，如上圖所示.當傳感器探測頭端面無結冰發生時, 發射光將沿發射光纖射入空氣, 接收光纖探測不到任何發射光.當探測表面有冰結成時,光在冰層內產生反射、散射、透射和吸收等現象 其中冰層-空氣界面的反射光以及在冰層內的部分散射光經傳感器探頭端面進入接收光纖,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度檢測出冰厚狀態信息.

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

本光纖式結冰傳感器采集的是冰層-空氣界面的反射光以及在冰層內的散射光, 其中對反射光的檢測與反射式光強調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, 如隨機分布、半圓分布、同心圓分布等.由這些不同模式的響應曲線可知, 在同心圓分布模式下,對其探測曲線的前坡部分進行分析處理可得到較高的靈敏度.鑒于同心圓分布結構對稱、工藝制作方便, 且有利于提高檢測靈敏度等優點, 因而選擇同心圓分布作為本傳感器光纖探頭的分布模式.采用的光纖探頭結構為內圈的發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

分有無結冰兩種情形分析同心圓分布模式的傳感器探頭表面光學現象, 如下圖所示.對有結冰情形進行了簡化, 假設生成的冰為均勻介質.

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

b .探頭表面有結冰發生.當探頭表面發生結冰現象, 入射光線由光纖射入到冰層時, 也可能會發生全反射.本試驗研究中, 光纖-冰層界面的臨界角θm2 =58°, θ0max <θm2 , 故在光纖內傳播的光線不會發生全發射.此時, 入射光也分成兩部分:一部分穿過光纖-冰層界面進入冰層內部;另一部分在光纖-冰層界面發生反射, 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.當光垂直或以很小的入射角入射時, 上式中的正弦和正切函數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 質的折射率;n 為入射光所在介質的折射率.

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 %的光將折射進入冰層, 光能損失很小.進入冰層內的光I2 繼續傳播而發生散射和吸收, 即I2 =I3(散射)+I4(吸收)+I5 , 當其到達冰層-空氣界面時, 再次發生反射和折射,則此時有I5 =I6(反射)+I7 (折射).在冰層增長初期, 冰層-空氣界面產生的反射光I 6 和冰層內的散射光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到*值.隨著冰厚的增加, 冰層-空氣界面反射光減弱, 冰層內以散射光為主, 當冰層達到某一厚度以后, 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

光學材料透明程度的參數可用吸收系數來表示, 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, 定義[ 11]為，（3）式中:I 0 為入射光強;I x 是冰表面下x 處的光強;R 為反射系數;α為吸收系數.式(3)定的吸收系數不僅包括了真正被吸收的光強, 還包括了散射的光強.光由I0 減弱至I x , 則吸收了I 0 -I x =I0(1 -e-αx )部分光強.

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

2.3　測量及處理電路設計

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計與實現是傳感器設計的一個重要的組成部分.光纖結冰傳感器將接收到的光強轉換為電壓信號, 具有其他結冰傳感器所不具備的*優點.同時, 作為光強調制型傳感器, 它又存在致命的缺陷:由于采用光強作為信息載體, 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、光纖傳輸損耗以及環境雜散光等因素的影響

因此, 要想獲得高精度和高穩定性的測量結果, 必須采取有效措施克服這些因素的影響.以調制解調技術為例, 將發光二極管調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直流信號或隨機信號.這樣, 到達光電探測器的信號即為由待測信號調幅的載波交變信號, 只要在后續電路中加上參考頻率與光源調制頻率相同的鎖定放大器, 即可濾去上述誤差信號.后, 再經過低通濾波等措施即可將調幅載波信號恢復成與待測量成正比的直流輸出。

3 實驗結果分析

根據光纖式結冰傳感器對光電信號檢測的要求, 構建了結冰檢測試驗平臺.試驗平臺由半導體制冷器件(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冰傳感器等構成

                            圖3　探測系統結構框圖

依照上述的探頭設計, 在試驗溫度為-10 ℃和-20 ℃情況下, 通過此試驗平臺得到光纖式結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 中的橫坐標表示冰層厚度,縱坐標為傳感器輸出電壓, 該值與耦合進接收光纖的光強成正比.由4 圖可知, 不同結冰類型的電壓-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,發射光纖中的光進入冰層后發生散射或在冰層-空氣界面發生反射.當冰層很薄時, 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增強, 兩者之和在0 .6 mm 冰厚附近達到*值, 此時電壓值約為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*不同.霜冰是一種Mie 散射介質,散射強度很大, 因此冰體的光透過率低, 約為3 %～ 5 %.發射光纖中的光進入冰層后以散射為主， 隨著冰層厚度的增加, 進入接收光纖的散射光越來越強, 在2 .5 mm 冰厚處到達飽和.

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

四、產品特點：

1、JS-GD系列光纖結冰傳感器主要應用測量高精度冰厚

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、傳感器節能運行

6、JS-GD系列光纖結冰傳感器體積小，結構緊湊，使用簡單方便

五、技術指標：

六、安裝方法

安裝環境：安裝在周圍干擾（光線太強、電磁干擾等）小的地方。由于本產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支架固定安裝。

七、常見故障

八、檢測性能

衡量結冰傳感器檢測性能的參數主要有：分辨率、靈敏度、溫度系數、準確度、精確度等。

分辨率是指結冰傳感器能夠感知的小結冰厚度。

靈敏度是指結冰厚度變化與結冰傳感器輸出變化的比值。

溫度系數是指沒有結冰信號時，結冰傳感器的輸出變化與溫度變化的比值。

準確度是指用結冰傳感器對同一結冰厚度進行檢測，得到一系列數據，這一系列數據的中心點與實際結冰厚度的接近程度。

精確度是指上述一系列數據點相對于其中心點的分散程度。

九、注意事項

由于光線束的發射和接收不是一條直線，有一定的角度，所以光纖結冰傳感器會受環境中其他障礙物的影響，和其他強光的干擾。當出現這些情況時，請盡可能改善環境的質量，重新安裝光纖結冰傳感器的位置。