專利名稱：一種光纖式結(jié)冰傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光電傳感器，尤其涉及一種能識別物體表面的結(jié)冰類型和結(jié)冰厚度的光纖式結(jié)冰傳感器。
背景技術(shù)：
飛行器結(jié)冰類型的識別不僅在飛行器安全防護(hù)的科學(xué)研究上，而且在飛行器結(jié)冰安全防護(hù)的工程設(shè)計(jì)和相關(guān)應(yīng)用上，都具有較重大的意義，因此，在飛行器結(jié)冰探測器上實(shí)現(xiàn)結(jié)冰類型識別功能，是飛行器結(jié)冰安全防護(hù)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步追求的重要目標(biāo)之一。目前，用于飛行器結(jié)冰探測的結(jié)冰傳感器存在的不足之處在于沒有識別結(jié)冰類型的能力或識別結(jié)冰類型的可靠性不高。以近年來國內(nèi)外研究開發(fā)的兩種光纖式結(jié)冰傳感器來對比如專利申請?zhí)枮?200710051934的中國實(shí)用新型專利“光纖式結(jié)冰傳感器”，由光纖式結(jié)冰傳感器和信號檢測裝置構(gòu)成了光纖式結(jié)冰探測器，它沒有識別飛行器結(jié)冰的三種典型類型(明冰、淞冰以及這二種冰型的混合冰)的能力，原因在于探測器的最前端為平面，且光纖束之間進(jìn)行了光隔離，導(dǎo)致絕大部分的光都射出光纖，光纖之間的耦合很弱，進(jìn)而在不同冰型下探測到的電壓-冰厚曲線呈相似的上升趨勢，從而導(dǎo)致冰型探測能力差，且信號檢測裝置也沒有對結(jié)冰類型信號進(jìn)行處理；專利公開號為WO 2004/110865A1的國際專利 "ICEDETECTIONAPPARATUS AND METHOD”，光纖式結(jié)冰探測器的最前端也為平面，雖然具有對飛行器結(jié)冰的三種典型結(jié)冰類型的識別能力，但其識別的可靠性不高，原因在于它只是通過信號檢測裝置較為簡單的信號處理而實(shí)現(xiàn)的，而沒有從根本上解決前端為平面的探測器冰型識別能力差的問題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種光纖式結(jié)冰傳感器，解決現(xiàn)有結(jié)冰傳感器沒有識別結(jié)冰類型的能力或識別結(jié)冰類型的可靠性不高的問題。本實(shí)用新型的一種光纖式結(jié)冰傳感器，包括發(fā)射光纖束和接收光纖束，所述發(fā)射光纖束和接收光纖束的一端集束排列在一起形成探測端，發(fā)射光纖束的另一端裝有發(fā)光器件，接收光纖束的另一端裝有光電接收器件，其特征在于構(gòu)成所述探測端的發(fā)射光纖束為一束，接收光纖束為兩束，發(fā)射光纖束和第一、第二接收光纖束之間采用能夠透光的粘接膠粘合；所述探測端端面形狀為二次曲面或者與光纖束光軸方向夾角α =15° 85°的斜面；所述探測端橫截面形狀為圓形或矩形。所述的光纖式結(jié)冰傳感器，其特征在于所述探測端端面形狀的二次曲面為橢球面、直圓柱面、直圓錐面、單葉雙曲面或者橢圓拋物面。
3[0012]所述的光纖式結(jié)冰傳感器，其特征在于構(gòu)成所述探測端的發(fā)射光纖束和接收光纖束的排列方式依序?yàn)榘l(fā)射光纖束、第一接收光纖束、第二接收光纖束，發(fā)射光纖束和第一、第二接收光纖束在探測端中所占用的面積各為1/3。同傳統(tǒng)平端面光纖一樣，光線在本實(shí)用新型的光纖傳感器中依據(jù)全反射原理進(jìn)行傳播，但由于發(fā)射光纖束出射端面不再與光纖的光軸垂直，出射光線的角度將不同于平端面光纖，光線傳播路徑也會相應(yīng)發(fā)生改變。在本實(shí)用新型探測端的獨(dú)特結(jié)構(gòu)中，接收光纖束不僅接收到經(jīng)過冰層調(diào)制后返回的光信息，還能接收到部分發(fā)射光纖束中的耦合光，正是由于這些不同于平端面光纖探測端的特性，使得本實(shí)用新型的光纖傳感器對冰型的敏感程度大大增強(qiáng)。本實(shí)用新型微型化、重量輕、靈敏度高、最小檢出下限低，同時不需要敏感材料，生產(chǎn)成本低。用于對物體表面結(jié)冰的質(zhì)地類型(淞冰、明冰以及這兩種結(jié)冰的混合型結(jié)冰) 進(jìn)行較高可靠性的識別，并對一定結(jié)冰厚度范圍內(nèi)的結(jié)冰進(jìn)行結(jié)冰厚度的定量探測，特別適用于飛行器結(jié)冰安全防護(hù)的結(jié)冰探測，也可以應(yīng)用于其它結(jié)冰探測或監(jiān)測領(lǐng)域，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)冰監(jiān)測、高壓輸電線路結(jié)冰監(jiān)測以及道路路面結(jié)冰的監(jiān)測等。

[0016]圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例1示意圖；[0017]圖2為實(shí)施例1探測端橫截面示意圖；[0018]圖3為實(shí)施例1在無冰存在時的原理圖；[0019]圖4為本實(shí)用新型電路部分的原理圖；[0020]圖5為實(shí)施例1在淞冰存在時的原理圖；[0021]圖6為實(shí)施例1在明冰存在時的原理圖；[0022]圖7為本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)結(jié)冰類型識別和結(jié)冰厚度定量探測的曲線圖[0023]圖8為本實(shí)用新型探測端端面為三種不同角度斜面時的舉例；[0024]圖9為本實(shí)用新型的實(shí)施例2示意圖；[0025]圖10為為實(shí)施例2探測端橫截面示意圖。[0026]圖11為本實(shí)用新型探測端端面為三種不同二次曲面時的舉例。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。如圖1所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例1包括發(fā)射光纖束1和第一接收光纖束2、第二接收光纖束3，發(fā)射光纖束和第一、第二接收光纖束的一端由金屬護(hù)套8集束成集中光纖束，其端面構(gòu)成探測端4，發(fā)射光纖束和第一、第二接收光纖束之間采用能夠透光的粘接膠粘合；發(fā)射光纖束1的另一端裝有發(fā)光器件7，第一、第二接收光纖束的另一端分別裝有光電接收器件6，發(fā)射光纖束和第一、第二接收光纖束的另一端分別套有光纖束護(hù)套9，并裝有連接頭5，連接頭5的螺紋公稱直徑為4mm ；探測端4端面形狀為與光纖束光軸方向夾角α =30°的斜面；如圖2所示，本實(shí)施例探測端4橫截面形狀為圓形；在金屬護(hù)套8內(nèi)，發(fā)射光纖束和接收光纖束的排列方式依序?yàn)榘l(fā)射光纖束1、第一接收光纖束2、第二接收光纖束3，發(fā)射光纖束和第一、第二接收光纖束在探測端中所占用的面積各為1/3。金屬護(hù)套8靠近探測端4的部分具有螺紋，便于將本實(shí)用新型齊平安裝在物體表面上，金屬護(hù)套8上螺紋公稱直徑為10mm。本實(shí)施例中發(fā)光器件7，光電接收器件6的具體型號及參數(shù)如下發(fā)光器件7選用Honeywell公司的紅外發(fā)光二極管SEM55，它采用T0-46金屬封裝，在發(fā)射表面安裝有微透鏡，具有聚光的作用，發(fā)射角為20°。最大工作電流可以達(dá)到 100mA，工作溫度范圍-55°C 125°C，峰值波長為940nm。光電接收器件6采用Honeywell公司的與紅外發(fā)射二極管SEM55對應(yīng)的硅光敏三極管SM443，它采用T0-46金屬封裝，工作溫度范圍-55°C 125°C，暗電流僅為IOOnA ； 當(dāng)Vce = 5V,入射光強(qiáng)度為5mff/cm2, Il最小為8. OmA0結(jié)合圖3，圖4，圖5，圖6和圖7，說明本實(shí)施例是如何實(shí)現(xiàn)高可靠性識別結(jié)冰類型 (明冰，淞冰及混合冰)及其所依據(jù)的原理。如圖3所示，發(fā)光器件7產(chǎn)生的發(fā)射光Ll在光纖束內(nèi)部是以多個角度向前傳播的，當(dāng)?shù)谝徊糠职l(fā)射光Ll-I到達(dá)探測端4后，一部分光折射到探測端以外的空氣成為第一折射光L1-2，一部分會在端面反射。由于在集中光纖束內(nèi)，發(fā)射光纖束和第一、第二接收光纖束之間無護(hù)套，而是靠能夠透光的粘接膠粘合在一起，因此，發(fā)射光纖束1端面的反射光還會返回射向第一、第二接收光纖束，分別成為第一部分接收光L1-3和第二部分接收光 L1-4。第一部分接收光L1-3和第二部分接收光L1-4分別經(jīng)粘接膠界面反射，形成第一部分反射光L2-1和第二部分反射光L3-1，它們分別沿著第一、第二接收光纖束向另一端返回傳播。多個不同角度的返回傳播的光即會形成總的第一返回光L2和第二返回光L3，分別被兩個光電接收器件6所接收，送到信號調(diào)理電路進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。如圖4所示，信號調(diào)理電路由光電接收電路，電流電壓轉(zhuǎn)換電路，差分放大電路組成，光電接收器件和有關(guān)電阻及+12V電源構(gòu)成光電接收電路和電流電壓轉(zhuǎn)換電路；運(yùn)算放大器和電阻電容并聯(lián)構(gòu)成差分放大電路。先由得到對應(yīng)第一，第二接收光纖束2和3的輸出電壓信號V02，V03,兩個光電接收電路和電流電壓轉(zhuǎn)換電路分別輸出電壓信號V02，V03送到差分放大電路，消除背景光的干擾，在未結(jié)冰情況下，得到電壓信號初始狀態(tài)V0。結(jié)冰的質(zhì)地類型大致可分為三大類，即淞冰、明冰和混合型結(jié)冰，當(dāng)傳感器探測端面上有淞冰、明冰和混合型結(jié)冰時，根據(jù)第一，第二接收光纖束2和3接收到的第一返回光 L2和第二返回光L3的不同變化，從而可以實(shí)現(xiàn)對冰型的識別以及結(jié)冰厚度的定量探測。圖5所示為探測端的表面發(fā)生典型的淞冰時，發(fā)射光纖束1和第一，第二接收光纖束2，3中光線的變化，以及信號幅度的增長情況。淞冰的冰層內(nèi)部呈現(xiàn)出顆粒狀的微觀冰晶結(jié)構(gòu)，且有大量的空氣間隙。此時發(fā)射光纖束1中的第一部分發(fā)射光Ll-I和第二部分發(fā)射光L1-0，兩者分別折射到探測端表面以外，得到射入冰層的第一折射光L1-2和第二折射光L1-1-3，第一部分發(fā)射光Ll-I的反射光則是第一部分接收光L1-3和第二部分接收光L1-4，第一部分接收光L1-3和第二部分接收光L1-4分別經(jīng)粘接膠界面反射，形成第一部分反射光L2-1和第二部分反射光L3-1， 它們分別沿著第一、第二接收光纖束向另一端返回傳播。由于冰層在探測端表面結(jié)冰上的氣隙較大，因此，此種情形的L1-3和L1-4的光功率大小和原來探測端表面沒有結(jié)冰時的光功率大小基本相同，因此，第一，第二接收光纖束2和3分別接收到的第一部分反射光L2-1 和第二部分反射光L3-1和沒有結(jié)冰發(fā)生時的光信號大小基本相同。但是，折射到冰層內(nèi)的第一折射光L1-2和第二折射光L1-1-3會在冰層內(nèi)的冰晶顆粒上產(chǎn)生散射和在冰層與空氣分界面上發(fā)生反射，其中散射的光為第一淞冰散射光L1-1-2，它再在冰層——探測面界面上折射回第一，第二接收光纖束2和3，成為第一淞冰接收光L1-1-2-1和第二淞冰接收光 L1-1-2-2，并分別形成了返回傳播的第一淞冰反射光L2-2和第二淞冰反射光L3-2。另外， 第二淞冰折射光L1-1-3在冰層-空氣界面的折射光為第三淞冰折射光L1-1-3-1，反射光為第三淞冰反射光L1-1-3-2，其中L1-1-3-2會折射回至接收光纖束3成為第三淞冰接收光L1-1-3-3，并形成返回傳播的第四淞冰反射光L3-3。同樣，在第一接收光纖束2中也會有冰層-空氣界面反射光造成的返回傳播光，這里不予贅述。綜上所述，當(dāng)探測端表面發(fā)生淞冰結(jié)冰時，第一，第二接收光纖束2和3接收到的光信號比沒有結(jié)冰信號時的信號會明顯增大。在一定結(jié)冰厚度范圍內(nèi)，信號增加的幅度就與結(jié)冰厚度成確定的單調(diào)關(guān)系，通過信號檢測及處理系統(tǒng)求解出信號增長的幅度，就可實(shí)現(xiàn)結(jié)冰厚度的定量探測。圖6所示為探測端表面發(fā)生明冰結(jié)冰時，第一，第二接收光纖束2和3接收光信號的變化情況，以及接收光纖束信號幅度下降的情況。明冰冰層內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是冰層透明，質(zhì)地致密，空氣隙很少。第一部分發(fā)射光Ll-I 在探測端-冰層界面產(chǎn)生第一折射光L1-2，由于冰層和空氣的折射率不同，因此，這時折射至冰層內(nèi)的第一折射光L1-2會比沒有結(jié)冰時的折射光的光強(qiáng)度要大，又因?yàn)榘l(fā)射光Ll的總強(qiáng)度一定，這樣，就造成第一部分接收光L1-3、第二部分接收光L1-4要比沒有結(jié)冰發(fā)生時的光強(qiáng)度要小，從而返回傳播的第一部分反射光L2-1和第二部分反射光L3-1之功率也相應(yīng)地減少。第一折射光L1-2在冰層-空氣界面發(fā)生折射和反射，分別形成折射到空氣中的明冰折射光L1-2-1和第一明冰反射光L1-2-2，其中第一明冰反射光L1-2-2又會在冰層-探測端界面處折射至第一接收光纖束2和第二接收光纖束3內(nèi)部，圖6中只繪出了折射至第二接收光纖束3內(nèi)部的明冰接收光L1-2-3，如圖中只繪出的第二明冰反射光L3-2。 但這部分返回的第二明冰反射光L3-2的光強(qiáng)度仍不足以彌補(bǔ)第二部分反射光L3-1減小的部分。L2-1，L3-1，L3-2形成能被第一，第二接收光纖束2和3接收的返回傳播光。綜上所述，當(dāng)有明冰發(fā)生在探測端表面時，接收光纖束接收到的光信號強(qiáng)度比沒有結(jié)冰發(fā)生時的接收光信號強(qiáng)度要小，因此，接收光纖束接收的光信號是以減小的形式在變化。在一定結(jié)冰厚度范圍內(nèi)，信號幅度隨結(jié)冰厚度增加成對應(yīng)的單調(diào)下降關(guān)系。通過信號檢測及處理系統(tǒng)求解出信號負(fù)向增長的幅度，就可實(shí)現(xiàn)結(jié)冰厚度的定量探測。以下再簡要說明探測端表面發(fā)生混合型結(jié)冰時，第一接收光纖束2、第二接收光纖束3接收光信號的變化情況。混合型結(jié)冰是兩種典型結(jié)冰淞冰和明冰的混合狀態(tài)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是冰層內(nèi)有少量空氣隙，但同時又有一定的透明性和致密性。本實(shí)用新型中通過選擇合適的探測面與光纖軸的夾角，發(fā)射光纖束和接收光纖束的面積等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)有混合型冰發(fā)生時，第一接收光纖束2、第二接收光纖束3接收到的信號幅度會比沒有結(jié)冰發(fā)生時的接收信號大，但又明顯低于淞冰時的信號幅度，這樣， 呈現(xiàn)出與淞冰信號特征完全不同的信號特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對三種不同結(jié)冰類型的識別。[0049]可用圖7來說明本實(shí)用新型對三種不同冰型的識別和結(jié)冰厚度定量探測的實(shí)現(xiàn)原理。圖7中縱坐標(biāo)V為用于本實(shí)用新型的信號調(diào)理電路的輸出電壓信號，單位伏特，橫坐標(biāo)為結(jié)冰厚度h，單位毫米。當(dāng)沒有結(jié)冰發(fā)生時，為初始狀態(tài)V0，如虛線所示；當(dāng)有淞冰發(fā)生時，V隨著冰厚h增大而增大，如淞冰識別曲線Vl-h所示；當(dāng)有明冰發(fā)生時，V隨著冰厚h增大而減小，如明冰識別曲線V3-h所示；當(dāng)有混合型結(jié)冰發(fā)生時，V隨著冰厚h增大而增大， 如混合冰識別曲線V2-h所示。由于三條曲線Vl-h、V2-h和V3-h的形態(tài)完全不同，通過信號檢測及處理系統(tǒng)的信號分析和求解，能夠以較高的可靠度區(qū)分和識別出三種不同結(jié)冰類型。當(dāng)結(jié)冰類型確定后(也即確定了結(jié)冰探測的特性曲線后)，即可從相應(yīng)的曲線上較精確地獲得結(jié)冰厚度大小的定量結(jié)果。有了結(jié)冰厚度定量檢測結(jié)果，就可計(jì)算出單位時間內(nèi)結(jié)冰厚度的增長，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)冰強(qiáng)度(結(jié)冰速率)的求解。圖8自左至右依次為為探測端端面4為與光纖束光軸方向夾角α分別是15°、 45°和85°的斜面時的示例。當(dāng)斜面角度在15° 85°范圍變化時，導(dǎo)致第一部分發(fā)射光 Ll-I的折射角和反射角發(fā)生變化，進(jìn)而影響發(fā)射光Ll的出射光量及反射光量，從而進(jìn)一步影響第一，第二返回光L2，L3的接收光信號的強(qiáng)弱，使圖7的三條冰型識別曲線Vl-h、V2-h 和V3-h的形態(tài)發(fā)生變化，從而影響本實(shí)用新型對冰型識別的能力。試驗(yàn)表明在探測端端面4與光纖束光軸方向夾角α小于15°或大于85°時，明冰識別曲線V3_h不再呈下降趨勢，此時三條冰型識別曲線Vl-h、V2-h和V3-h形態(tài)相似且相互均有部分重合，從而導(dǎo)致無法識別冰型；當(dāng)α取15° 85°之間的合適角度45°時，此時三條冰型識別曲線Vl_h、 V2_h和V3_h形態(tài)如圖7所示，能夠很好的區(qū)分出三種冰型；當(dāng)α取15° 45°或α取 45° 85°時，三條冰型識別曲線Vl-h、V2-h和V3-h形態(tài)大體不變，但Vl-h，V3-h有向 V2_h逐漸靠攏的趨勢，此時仍能區(qū)分出三種冰型，但識別能力較α取45°要稍弱些，且當(dāng) α越接近臨界角15°或85°時，識別能力就越弱。圖9、圖10所示為本實(shí)用新型的實(shí)施例2，實(shí)施例2與實(shí)施例1的不同之處在于 探測端端面4的形狀為直圓柱面；探測端橫截面形狀為矩形，其他參數(shù)都與實(shí)施例1相同。實(shí)施例2的原理與實(shí)施例1類似，因?yàn)槎吻婵山瓶闯墒怯珊芏鄠€斜面組成的，而這些斜面與光纖束光軸方向的夾角絕大部分都在15° 85°范圍內(nèi)，從而在探測端端面4為二次曲面時，最終得到的三條冰型識別曲線形態(tài)仍與圖7相似，從而能區(qū)分出三種冰型。圖11自左至右依次為本實(shí)用新型探測端端面4分別為橢球面、直圓錐面和直圓柱面時的示例。上述三種曲面都可以看成是由無數(shù)個很小的斜面拼在一起組成的，定性分析可知橢球面中α取15° 45°的斜面占大多數(shù)；直圓錐面中α取45° 85°的斜面占大多數(shù)；直圓柱面中α取45°附近的斜面占大多數(shù)。再結(jié)合上面對斜面的分析及試驗(yàn)，結(jié)果表明探測端端面4為直圓柱面時，三條冰型識別曲線Vl-h、V2_h和V3_h形態(tài)如圖7所示，能夠很好的區(qū)分出三種冰型；探測端端面4為橢球面或直圓錐面時，三條冰型識別曲線 Vl-h、V2-h和V3-h形態(tài)大體不變，但Vl-h，V3-h有向V2-h逐漸靠攏的趨勢，此時仍能區(qū)分出三種冰型，但識別能力較直圓柱面要稍弱些。
權(quán)利要求1. 一種光纖式結(jié)冰傳感器，包括發(fā)射光纖束和接收光纖束，所述發(fā)射光纖束和接收光纖束的一端集束排列在一起形成探測端，發(fā)射光纖束的另一端裝有發(fā)光器件，接收光纖束的另一端裝有光電接收器件，其特征在于構(gòu)成所述探測端的發(fā)射光纖束為一束，接收光纖束為兩束，發(fā)射光纖束和第一、第二接收光纖束之間采用能夠透光的粘接膠粘合；所述探測端端面形狀為二次曲面或者與光纖束光軸方向夾角α =15° 85°的斜所述探測端橫截面形狀為圓形或矩形。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖式結(jié)冰傳感器，其特征在于所述探測端端面形狀的二次曲面為橢球面、直圓柱面、直圓錐面、單葉雙曲面或者橢圓拋物面。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光纖式結(jié)冰傳感器，其特征在于構(gòu)成所述探測端的發(fā)射光纖束和接收光纖束的排列方式依序?yàn)榘l(fā)射光纖束、第一接收光纖束、第二接收光纖束，發(fā)射光纖束和第一、第二接收光纖束在探測端中所占用的面積各為1/3。
專利摘要一種光纖式結(jié)冰傳感器，屬于光電傳感器，解決現(xiàn)有結(jié)冰傳感器沒有識別結(jié)冰類型的能力或識別結(jié)冰類型的可靠性不高的問題。本實(shí)用新型包括發(fā)射光纖束和第一、第二接收光纖束，三者的一端集束排列在一起形成探測端，發(fā)射光纖束的另一端裝有發(fā)光器件，第一、第二接收光纖束的另一端裝有光電接收器件，探測端端面形狀為二次曲面或者與光纖束光軸方向夾角α＝15°～85°的斜面；探測端橫截面形狀為圓形或矩形。本實(shí)用新型微型化、重量輕、靈敏度高、最小檢出下限低、生產(chǎn)成本低。用于對物體表面結(jié)冰類型和結(jié)冰厚度進(jìn)行較高可靠性的識別和定量探測，特別適用于飛行器結(jié)冰安全防護(hù)的結(jié)冰探測，也能夠廣泛應(yīng)用于其它結(jié)冰探測或結(jié)冰監(jiān)測領(lǐng)域。
文檔編號G01N21/55GK202075225SQ20112014525
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者葉林, 葛俊鋒 申請人:華中科技大學(xué)