CN107894402B - 一种基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰系统 - Google Patents

一种基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰系统 Download PDF

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Abstract

一种基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统，涉及一种结冰监测与融冰一体化系统。目的是解决现有测冰融冰技术不能实时同步监测结冰和融冰的过程、现有测冰融冰装置使用受到环境限制和检测结果准确性低的问题。该系统，由测冰融冰复合膜、光纤光栅传感解调仪、复合膜输入电源和计算机构成；该系统由测冰融冰复合膜、光纤光栅传感解调仪、复合膜输入电源和计算机构成；测冰融冰复合膜由光纤布拉格光栅传感带、石墨烯薄膜、上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜和塑料套管构成；光纤布拉格光栅传感带由数个光纤布拉格光栅传感器串接构成。该系统能够实时同步监测结冰和融冰的过程，布置灵活，准确性高，效率高。

Description

一种基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰系统
技术领域
本发明涉及一种结冰监测与融冰一体化系统。
背景技术
石墨烯是由碳原子组成的二维碳材料，抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa，杨氏模量约为42N/m2，电子迁移率可达到2×105cm2/V·s，约为硅材料电子迁移率的140倍，砷化镓的20倍，温度稳定性高，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只有约10-6Ω·cm，比铜或银更低。石墨烯具有独特的二维纳米结构，较大厚径比和较高的比表面积使得石墨烯片层之间形成均匀的连通导电网络，在施加较低电压下可产生较高热量。研究测试得到的单层悬空石墨烯的导热系数高达5800W/mK，是目前报道的传热最好的晶体材料。光纤传感器是伴随通信技术逐渐发展起来的。与传统传感器相比，光纤传感器具有很高的灵敏度；频带宽，动态范围大；结构简单，轻质，体积小，耗能少；不受电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘性能好，防爆；便于与各类光纤传输系统相连，易于实现系统的控制和测量；适用于各种高温、高压、腐蚀等恶劣环境。
目前，国内外采用的测冰技术主要通过测量质量、反射特性、电热传导、介电常数和电感等物理量的变化，或者通过天气气象变化和数值模拟的方式进行。测冰技术中测冰的手段有多种，常用冰收集器法、功率曲线法、多风速测定法、视频监控法和振动噪声测定法等。现有测冰技术存在着一些不足，冰收集器法通常将冰收集器安装在某一固定位置如风力发电机叶片根部，因此只能监测到局部的结冰状况；功率曲线法由于结冰以外的其它因素如设备损坏和故障等容易导致实际的功率曲线和计算得到的曲线之间的差异；多风速测定法在无风的情况下无法给出结冰信息；视频监控法短期内可提供准确信息，但是寒冷冬季缺乏照明系统，缺少光照会给图像信息分辨率带来影响；振动噪声测定法的弊端是不适合静止条件下的积冰探测。
现有融冰技术存也在着一些不足，现有融冰技术包括机械除冰、热力除冰或涂层除冰等。机械除冰需要大型机械和人力投入；热力除冰常采用布置热电阻的方式，但热电阻无法使除冰结构表面均匀受热，在电阻布置处温度较高，而相邻电阻之间温度则较低；涂层除冰不能阻止积冰在涂层表面的产生。并且多数的测冰技术和融冰技术是分开的，两种技术不能够同步实施；
发明内容
本发明为了解决现有测冰融冰装置不能实时同步监测及实施结冰和融冰过程、现有测冰融冰装置使用受到环境限制和检测结果准确性低的问题，提出一种基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统。
一种基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统由测冰融冰复合膜、光纤光栅传感解调仪、复合膜输入电源和计算机构成；
所述测冰融冰复合膜由数条光纤布拉格光栅传感带、石墨烯薄膜、上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜和数条塑料套管构成；
所述上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜设置于石墨烯薄膜上表面，下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜设置于石墨烯薄膜下表面，石墨烯薄膜通过上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜和下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜热封；数条塑料套管并列设置在上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜上表面并通过环氧树脂粘接；光纤布拉格光栅传感带穿设在塑料套管内部；
所述光纤布拉格光栅传感带由数个光纤布拉格光栅传感器串接构成，相邻的光纤布拉格光栅传感器的接线端通过熔接机熔接并用热塑管封装熔接接头，光纤布拉格光栅传感器中光栅部分呈裸露状态；
所述石墨烯薄膜的其中一个表面上设置有两条平行设置的电极；所述电极为铜片电极，电极与石墨烯薄膜表面通过导电胶粘接；
所述光纤布拉格光栅传感带的光信号的输出端与光纤光栅传感解调仪的光信号输入端通过光学跳线连接，光纤光栅传感解调仪的数据输出端与计算机的数据输入端通过网线连接；石墨烯薄膜的两条平行设置的电极分别与复合膜输入电源的正极和负极连接；
所述测冰融冰复合膜中每平方米内设置有3～7条光纤布拉格光栅传感带；
所述光纤布拉格光栅传感带由6～40个光纤布拉格光栅传感器串接构成；
所述塑料套管的内径2～5mm，壁厚为0.5～1mm；
所述塑料套管材质为聚乙烯；
所述石墨烯薄膜的导电率为0.001～0.005Ω·cm，厚度为2～7μm；
本发明系统的结冰监测与融冰原理为：
本发明基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统中的测冰融冰复合膜铺设在风力发电机叶片、输电线路杆塔或建筑物等结构的易结冰部位，当外界环境温度骤降时，测冰融冰复合膜表面水蒸气逐渐冷却；在无外力作用下，光纤布拉格光栅传感器的波长与温度之间呈现线性关系，随着温度持续降低，测冰融冰复合膜表面开始结冰；光纤光栅传感解调仪采集光纤布拉格光栅传感带的光信号的输出的波长随时间波动数据，然后光纤光栅传感解调仪将数据输入计算机，通过计算机对波长随时间波动数据进行转换形成波长-时间监测曲线，同时因为波长与温度之间呈现线性关系，计算机也可以将成波长-时间监测曲线转变为温度-时间监测曲线，进而可以通过波长-时间监测曲线或温度-时间监测曲线进行判断是否结冰，结冰后使用复合膜输入电源向测冰融冰复合膜中的石墨烯薄膜输入电能进行加热，加热后首先在测冰融冰复合膜和冰层间形成水膜，随着水膜区域不断扩大最终将冰去除。
其中，本发明结冰监测过程为：
1、降温结冰阶段：波长-时间监测曲线或温度-时间监测曲线的斜率负值，此阶段没有结冰出现；随着温度持续降低，冰层开始出现并累积，波长-时间监测曲线或温度-时间监测曲线发生明显拐点且曲线趋于水平时即开始结冰；
2、结冰增长阶段：经过降温结冰阶段，结冰量开始增长，温度随之降低，波长-时间监测曲线或温度-时间监测曲线波长-时间监测曲线或温度-时间监测曲线的斜率负值；
3、融冰阶段：结冰增长阶段完成后，使用复合膜输入电源向测冰融冰复合膜中的石墨烯薄膜输入电能进行加热进行融冰，因为冰水混合物温度为0℃，光纤布拉格光栅传感器的光栅的波长维持在定值，波长-时间监测曲线或温度-时间监测曲线为水平态。
本发明的有益效果：
1、本发明为具备结冰监测与融冰的一体化系统，能够通过计算机软件可以直观地在结构的易结冰部位实时同步监测结冰和融冰的过程，同时还能够实时存储数据，获得的结冰信号准确，且不需要复杂的计算分析和数据处理；测冰融冰复合膜布置灵活，不受仪器故障的影响，在无风、静止条件下均可监测；多个光纤布拉格光栅传感器均匀分布在测冰融冰复合膜表面，在监测过程中可实时观察到所检测结构表面温度的变化，可保证检测结果具有较高的准确性，加热膜表面通电后可实现均匀发热，提高融冰效率；本发明系统中石墨烯膜的大小以及光纤布拉格光栅传感器的数量根据使用结构进行设计，整体结构简单；
2、本发明可以通过调节复合膜输入电源的输出功率值的大小实现调节融冰时间的目的；经试验测得，在-10℃的环境下，在输入2000W/m2的功率密度下进行融冰，可在1min内使每平方米的石墨烯薄膜表面升温10℃，在10min内将厚度为2mm冰层融化，因此本发明系统升温速率快，耗电量仅为0.33Kw·h/m2。
附图说明:
图1为本发明基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统结构示意图；
图2为光纤布拉格光栅传感带1与塑料套管5的结构示意图，其中，a为传感器光栅部分；b为热塑管；
图3为实施例1基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统中光纤布拉格光栅传感带1的布置示意图，图中A～R为光纤布拉格光栅传感器的光栅部分；
图4为实施例1系统中降温结冰阶段B、H和N三个光纤布拉格光栅传感器的温度-时间监测曲线；
图5为实施例1系统中降温结冰阶段A、B、C、D、E和F六个光纤布拉格光栅传感器的温度-时间监测曲线；
图6为实施例1系统中在融冰阶段A光纤布拉格光栅传感器的温度-时间曲线，曲线1a对应的复合膜输入电源7的输出功率密度为718.84W/m2，曲线2a对应的复合膜输入电源7的输出功率密度为568.70W/m2。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：结合图1～3说明本实施方式，本实施方式基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统由测冰融冰复合膜、光纤光栅传感解调仪6、复合膜输入电源7和计算机8构成；
所述测冰融冰复合膜由数条光纤布拉格光栅传感带1、石墨烯薄膜2、上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜3、下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜4和数条塑料套管5构成；
所述上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜3设置于石墨烯薄膜2上表面，下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜4设置于石墨烯薄膜2下表面，石墨烯薄膜2通过上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜3和下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜4热封；数条塑料套管5并列设置在上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜3上表面并通过环氧树脂粘接；光纤布拉格光栅传感带1穿设在塑料套管5内部；
所述光纤布拉格光栅传感带1由数个光纤布拉格光栅传感器串接构成，相邻的光纤布拉格光栅传感器的接线端通过熔接机熔接并用热塑管封装熔接接头，光纤布拉格光栅传感器中光栅部分呈裸露状态；
所述石墨烯薄膜2的其中一个表面上设置有两条平行设置的电极21；所述电极21为铜片电极，电极21与石墨烯薄膜2表面通过导电胶粘接；
所述光纤布拉格光栅传感带1的光信号的输出端与光纤光栅传感解调仪6的光信号输入端通过光学跳线连接，光纤光栅传感解调仪6的数据输出端与计算机8的数据输入端通过网线连接；石墨烯薄膜2的两条平行设置的电极21分别与复合膜输入电源7的正极和负极连接。
本实施方式具备以下有益效果：
1、本实施方式为具备结冰监测与融冰的一体化系统，能够通过计算机软件可以直观地在结构的易结冰部位实时同步监测结冰和融冰的过程，同时还能够实时存储数据，获得的结冰信号准确，且不需要复杂的计算分析和数据处理；测冰融冰复合膜布置灵活，不受仪器故障的影响，在无风、静止条件下均可监测；多个光纤布拉格光栅传感器均匀分布在测冰融冰复合膜表面，在监测过程中可实时观察到所检测结构表面温度的变化，可保证检测结果具有较高的准确性，加热膜表面通电后可实现均匀发热，提高融冰效率；本发明系统中石墨烯膜的大小以及光纤布拉格光栅传感器的数量根据使用结构进行设计，整体结构简单；
2、本实施方式可以通过调节复合膜输入电源7的输出功率值的大小实现调节融冰时间的目的；经试验测得，在-10℃的环境下，在输入2000W/m2的功率密度下进行融冰，可在1min内使每平方米的石墨烯薄膜2表面升温10℃，在10min内将厚度为2mm冰层融化，因此本实施方式系统升温速率快，耗电量仅为0.33Kw·h/m2。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述测冰融冰复合膜中每平方米内设置有3～7条光纤布拉格光栅传感带1。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述光纤布拉格光栅传感带1由6～40个光纤布拉格光栅传感器串接构成。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述塑料套管5的内径2～5mm，壁厚为0.5～1mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述塑料套管5材质为聚乙烯。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述石墨烯薄膜2的导电率为0.001～0.005Ω·cm，厚度为2～7μm。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施方式选择黑龙江齐齐哈尔市内的某风力发电场进行试验，试验时选择在风力发电机叶片上安装本发明基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统；
基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统由测冰融冰复合膜、光纤光栅传感解调仪6、复合膜输入电源7和计算机8构成；
所述测冰融冰复合膜由数条光纤布拉格光栅传感带1、石墨烯薄膜2、上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜3、下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜4和数条塑料套管5构成；
所述上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜3设置于石墨烯薄膜2上表面，下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜4设置于石墨烯薄膜2下表面，石墨烯薄膜2通过上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜3和下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜4热封；3条塑料套管5并列设置在上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜3上表面并通过环氧树脂粘接；3条光纤布拉格光栅传感带1穿设在塑料套管5内部；
所述光纤布拉格光栅传感带1由6个光纤布拉格光栅传感器串接构成，相邻的光纤布拉格光栅传感器的接线端通过熔接机熔接并用热塑管封装熔接接头，光纤布拉格光栅传感器中光栅部分呈裸露状态；
所述石墨烯薄膜2的其中一个表面上设置有两条平行设置的电极21；所述电极21为铜片电极，电极21与石墨烯薄膜2表面通过导电胶粘接；
所述光纤布拉格光栅传感带1的光信号的输出端与光纤光栅传感解调仪6的光信号输入端通过光学跳线连接，光纤光栅传感解调仪6的数据输出端与计算机8的数据输入端通过网线连接；石墨烯薄膜2的两条平行设置的电极21分别与复合膜输入电源7的正极和负极连接；
所述测冰融冰复合膜中每平方米内设置有3条光纤布拉格光栅传感带1；
所述塑料套管5的内径5mm，壁厚为1mm；
所述塑料套管5材质为聚乙烯；
所述石墨烯薄膜2的导电率为0.003Ω·cm，厚度为5μm；
本实施例中每条光纤布拉格光栅传感带1由6个光纤布拉格光栅传感器串接构成，本实施例设置了3条并列设置；将最右侧的光纤布拉格光栅传感带1中的光纤布拉格光栅传感器依次标记为A、B、C、D、E、F；中间的光纤布拉格光栅传感带1中的光纤布拉格光栅传感器依次标记为G、H、I、J、K、L；最左侧的光纤布拉格光栅传感带1中的光纤布拉格光栅传感器依次标记为M、N、O、P、Q、R；其中，A、D、G、J、M和P在同一水平位置；B、E、H、K、N和Q在同一水平位置；C、F、I、L、O和R在同一水平位置；图3为实施例1基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统中光纤布拉格光栅传感带1的布置示意图，图中A～R为光纤布拉格光栅传感器；
本实施例在冬季进行了测试，测试开始时间为14时以后；并记录得到降温结冰阶段和融冰阶段的温度-时间监测曲线；具体为：
实施例1系统中降温结冰阶段B、H和N三个光纤布拉格光栅传感器的温度-时间监测曲线，如图4所示；实施例1系统中降温结冰阶段A、B、C、D、E和F六个光纤布拉格光栅传感器的温度-时间监测曲线，如图5所示；实施例1系统中在融冰阶段A光纤布拉格光栅传感器的温度-时间曲线，如图6所示，曲线1a对应的复合膜输入电源7的输出功率密度为718.84W/m2，曲线2a对应的复合膜输入电源7的输出功率密度为568.70W/m2，如图6所示；
由图4可知，B、H、N三个光纤布拉格光栅传感器位于三条光纤布拉格光栅传感带1中，B、H、N三个光纤布拉格光栅传感器均可以测量出曲线拐点，且拐点出现时间相同，表明不同光纤布拉格光栅传感带1的同一水平方向上光纤布拉格光栅传感器测试数据具有同步性，可同时监测出结冰；
由图5可知，A、B、C、D、E和F六个光纤布拉格光栅传感器串联在一条光纤布拉格光栅传感带1中，A、B、C、D、E和F六个光纤布拉格光栅传感器均可以测量出曲线拐点，A、B、C、D、E和F六个光纤布拉格光栅传感器的温度-时间监测曲线几乎重合，表明同一光纤布拉格光栅传感带1上的光纤布拉格光栅传感器测试数据一致性高，进而表面实施例1系统的检测结果具有较高的准确性；
由图6曲线2a可知，复合膜输入电源7的输出功率密度为568.70W/m2时，融冰阶段曲线走势均为第一阶段先升高、第二阶段再趋于平稳和第三阶段继续升高的形势，其中曲线第一阶段升高时为输入功率时刻；在第二阶段曲线斜率相比于升高阶段下降明显，此阶段结束后冰层融化；第三阶段温度明显上升阶段为融冰完成后，继续通电得到的温升结果，由图6曲线1a可知，调整复合膜输入电源7的输出功率密度至718.84W/m2后，第一阶段温升速率显著增加。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统，其特征在于：该系统由测冰融冰复合膜、光纤光栅传感解调仪(6)、复合膜输入电源(7)和计算机(8)构成；
所述测冰融冰复合膜由数条光纤布拉格光栅传感带(1)、石墨烯薄膜(2)、上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(3)、下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(4)和数条塑料套管(5)构成；
所述上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(3)设置于石墨烯薄膜(2)上表面，下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(4)设置于石墨烯薄膜(2)下表面，石墨烯薄膜(2)通过上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(3)和下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(4)热封；数条塑料套管(5)并列设置在上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(3)上表面并通过环氧树脂粘接；光纤布拉格光栅传感带(1)穿设在塑料套管(5)内部；
所述光纤布拉格光栅传感带(1)由数个光纤布拉格光栅传感器串接构成，相邻的光纤布拉格光栅传感器的接线端通过熔接机熔接并用热塑管封装熔接接头，光纤布拉格光栅传感器中光栅部分呈裸露状态；
所述石墨烯薄膜(2)的其中一个表面上设置有两条平行设置的电极(21)；所述电极(21)为铜片电极，电极(21)与石墨烯薄膜(2)表面通过导电胶粘接；
所述光纤布拉格光栅传感带(1)的光信号的输出端与光纤光栅传感解调仪(6)的光信号输入端通过光学跳线连接，光纤光栅传感解调仪(6)的数据输出端与计算机(8)的数据输入端通过网线连接；石墨烯薄膜(2)的两条平行设置的电极(21)分别与复合膜输入电源(7)的正极和负极连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统，其特征在于：所述测冰融冰复合膜中每平方米内设置有3～7条光纤布拉格光栅传感带(1)。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统，其特征在于：所述光纤布拉格光栅传感带(1)由6～40个光纤布拉格光栅传感器串接构成。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统，其特征在于：所述塑料套管(5)的内径2～5mm，壁厚为0.5～1mm。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统，其特征在于：所述塑料套管(5)材质为聚乙烯。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统，其特征在于：所述石墨烯薄膜(2)的导电率为0.003Ω·cm，厚度为5μm。
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