CN202075225U - 一种光纤式结冰传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤式结冰传感器，属于光电传感器，解决现有结冰传感器没有识别结冰类型的能力或识别结冰类型的可靠性不高的问题。本实用新型包括发射光纤束和第一、第二接收光纤束，三者的一端集束排列在一起形成探测端，发射光纤束的另一端装有发光器件，第一、第二接收光纤束的另一端装有光电接收器件，探测端端面形状为二次曲面或者与光纤束光轴方向夹角α＝15°～85°的斜面；探测端横截面形状为圆形或矩形。本实用新型微型化、重量轻、灵敏度高、最小检出下限低、生产成本低。用于对物体表面结冰类型和结冰厚度进行较高可靠性的识别和定量探测，特别适用于飞行器结冰安全防护的结冰探测，也能够广泛应用于其它结冰探测或结冰监测领域。

Description

一种光纤式结冰传感器

所属技术领域

本实用新型属于光电传感器，尤其涉及一种能识别物体表面的结冰类型和结冰厚度的光纤式结冰传感器。

背景技术

飞行器结冰类型的识别不仅在飞行器安全防护的科学研究上，而且在飞行器结冰安全防护的工程设计和相关应用上，都具有较重大的意义，因此，在飞行器结冰探测器上实现结冰类型识别功能，是飞行器结冰安全防护领域技术进步追求的重要目标之一。

目前，用于飞行器结冰探测的结冰传感器存在的不足之处在于：没有识别结冰类型的能力或识别结冰类型的可靠性不高。

以近年来国内外研究开发的两种光纤式结冰传感器来对比：如专利申请号为200710051934的中国实用新型专利“光纤式结冰传感器”，由光纤式结冰传感器和信号检测装置构成了光纤式结冰探测器，它没有识别飞行器结冰的三种典型类型(明冰、淞冰以及这二种冰型的混合冰)的能力，原因在于探测器的最前端为平面，且光纤束之间进行了光隔离，导致绝大部分的光都射出光纤，光纤之间的耦合很弱，进而在不同冰型下探测到的电压-冰厚曲线呈相似的上升趋势，从而导致冰型探测能力差，且信号检测装置也没有对结冰类型信号进行处理；专利公开号为WO 2004/110865A1的国际专利“ICEDETECTIONAPPARATUS AND METHOD”，光纤式结冰探测器的最前端也为平面，虽然具有对飞行器结冰的三种典型结冰类型的识别能力，但其识别的可靠性不高，原因在于它只是通过信号检测装置较为简单的信号处理而实现的，而没有从根本上解决前端为平面的探测器冰型识别能力差的问题。

发明内容

本实用新型提供一种光纤式结冰传感器，解决现有结冰传感器没有识别结冰类型的能力或识别结冰类型的可靠性不高的问题。

本实用新型的一种光纤式结冰传感器，包括发射光纤束和接收光纤束，所述发射光纤束和接收光纤束的一端集束排列在一起形成探测端，发射光纤束的另一端装有发光器件，接收光纤束的另一端装有光电接收器件，其特征在于：

构成所述探测端的发射光纤束为一束，接收光纤束为两束，发射光纤束和第一、第二接收光纤束之间采用能够透光的粘接胶粘合；

所述探测端端面形状为二次曲面或者与光纤束光轴方向夹角α＝15°～85°的斜面；

所述探测端横截面形状为圆形或矩形。

所述的光纤式结冰传感器，其特征在于：

所述探测端端面形状的二次曲面为椭球面、直圆柱面、直圆锥面、单叶双曲面或者椭圆抛物面。

所述的光纤式结冰传感器，其特征在于：

构成所述探测端的发射光纤束和接收光纤束的排列方式依序为：发射光纤束、第一接收光纤束、第二接收光纤束，发射光纤束和第一、第二接收光纤束在探测端中所占用的面积各为1/3。

同传统平端面光纤一样，光线在本实用新型的光纤传感器中依据全反射原理进行传播，但由于发射光纤束出射端面不再与光纤的光轴垂直，出射光线的角度将不同于平端面光纤，光线传播路径也会相应发生改变。在本实用新型探测端的独特结构中，接收光纤束不仅接收到经过冰层调制后返回的光信息，还能接收到部分发射光纤束中的耦合光，正是由于这些不同于平端面光纤探测端的特性，使得本实用新型的光纤传感器对冰型的敏感程度大大增强。

本实用新型微型化、重量轻、灵敏度高、最小检出下限低，同时不需要敏感材料，生产成本低。用于对物体表面结冰的质地类型(淞冰、明冰以及这两种结冰的混合型结冰)进行较高可靠性的识别，并对一定结冰厚度范围内的结冰进行结冰厚度的定量探测，特别适用于飞行器结冰安全防护的结冰探测，也可以应用于其它结冰探测或监测领域，如风力发电机叶片结冰监测、高压输电线路结冰监测以及道路路面结冰的监测等。

附图说明

图1为本实用新型的实施例1示意图；

图2为实施例1探测端横截面示意图；

图3为实施例1在无冰存在时的原理图；

图4为本实用新型电路部分的原理图；

图5为实施例1在淞冰存在时的原理图；

图6为实施例1在明冰存在时的原理图；

图7为本实用新型实现结冰类型识别和结冰厚度定量探测的曲线图；

图8为本实用新型探测端端面为三种不同角度斜面时的举例；

图9为本实用新型的实施例2示意图；

图10为为实施例2探测端横截面示意图。

图11为本实用新型探测端端面为三种不同二次曲面时的举例。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进一步说明。

如图1所示，本实用新型的实施例1包括发射光纤束1和第一接收光纤束2、第二接收光纤束3，发射光纤束和第一、第二接收光纤束的一端由金属护套8集束成集中光纤束，其端面构成探测端4，发射光纤束和第一、第二接收光纤束之间采用能够透光的粘接胶粘合；发射光纤束1的另一端装有发光器件7，第一、第二接收光纤束的另一端分别装有光电接收器件6，发射光纤束和第一、第二接收光纤束的另一端分别套有光纤束护套9，并装有连接头5，连接头5的螺纹公称直径为4mm；

探测端4端面形状为与光纤束光轴方向夹角α＝30°的斜面；

如图2所示，本实施例探测端4横截面形状为圆形；在金属护套8内，发射光纤束和接收光纤束的排列方式依序为：发射光纤束1、第一接收光纤束2、第二接收光纤束3，发射光纤束和第一、第二接收光纤束在探测端中所占用的面积各为1/3。

金属护套8靠近探测端4的部分具有螺纹，便于将本实用新型齐平安装在物体表面上，金属护套8上螺纹公称直径为10mm。

本实施例中发光器件7，光电接收器件6的具体型号及参数如下：

发光器件7选用Honeywell公司的红外发光二极管SE5455，它采用TO-46金属封装，在发射表面安装有微透镜，具有聚光的作用，发射角为20°。最大工作电流可以达到100mA，工作温度范围-55℃～125℃，峰值波长为940nm。

光电接收器件6采用Honeywell公司的与红外发射二极管SE5455对应的硅光敏三极管SD5443，它采用TO-46金属封装，工作温度范围-55℃～125℃，暗电流仅为100nA；当V_CE＝5V，入射光强度为5mW/cm²，I_L最小为8.0mA。

结合图3，图4，图5，图6和图7，说明本实施例是如何实现高可靠性识别结冰类型(明冰，淞冰及混合冰)及其所依据的原理。

如图3所示，发光器件7产生的发射光L1在光纤束内部是以多个角度向前传播的，当第一部分发射光L1-1到达探测端4后，一部分光折射到探测端以外的空气成为第一折射光L1-2，一部分会在端面反射。由于在集中光纤束内，发射光纤束和第一、第二接收光纤束之间无护套，而是靠能够透光的粘接胶粘合在一起，因此，发射光纤束1端面的反射光还会返回射向第一、第二接收光纤束，分别成为第一部分接收光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分别经粘接胶界面反射，形成第一部分反射光L2-1和第二部分反射光L3-1，它们分别沿着第一、第二接收光纤束向另一端返回传播。多个不同角度的返回传播的光即会形成总的第一返回光L2和第二返回光L3，分别被两个光电接收器件6所接收，送到信号调理电路进行光电转换。

如图4所示，信号调理电路由光电接收电路，电流电压转换电路，差分放大电路组成，光电接收器件和有关电阻及+12V电源构成光电接收电路和电流电压转换电路；运算放大器和电阻电容并联构成差分放大电路。

先由得到对应第一，第二接收光纤束2和3的输出电压信号V02，V03，

两个光电接收电路和电流电压转换电路分别输出电压信号V02，V03送到差分放大电路，消除背景光的干扰，在未结冰情况下，得到电压信号初始状态V0。

结冰的质地类型大致可分为三大类，即淞冰、明冰和混合型结冰，当传感器探测端面上有淞冰、明冰和混合型结冰时，根据第一，第二接收光纤束2和3接收到的第一返回光L2和第二返回光L3的不同变化，从而可以实现对冰型的识别以及结冰厚度的定量探测。

图5所示为探测端的表面发生典型的淞冰时，发射光纤束1和第一，第二接收光纤束2，3中光线的变化，以及信号幅度的增长情况。

淞冰的冰层内部呈现出颗粒状的微观冰晶结构，且有大量的空气间隙。此时发射光纤束1中的第一部分发射光L1-1和第二部分发射光L1-0，两者分别折射到探测端表面以外，得到射入冰层的第一折射光L1-2和第二折射光L1-1-3，第一部分发射光L1-1的反射光则是第一部分接收光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分别经粘接胶界面反射，形成第一部分反射光L2-1和第二部分反射光L3-1，它们分别沿着第一、第二接收光纤束向另一端返回传播。由于冰层在探测端表面结冰上的气隙较大，因此，此种情形的L1-3和L1-4的光功率大小和原来探测端表面没有结冰时的光功率大小基本相同，因此，第一，第二接收光纤束2和3分别接收到的第一部分反射光L2-1和第二部分反射光L3-1和没有结冰发生时的光信号大小基本相同。但是，折射到冰层内的第一折射光L1-2和第二折射光L1-1-3会在冰层内的冰晶颗粒上产生散射和在冰层与空气分界面上发生反射，其中散射的光为第一淞冰散射光L1-1-2，它再在冰层——探测面界面上折射回第一，第二接收光纤束2和3，成为第一淞冰接收光L1-1-2-1和第二淞冰接收光L1-1-2-2，并分别形成了返回传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在冰层-空气界面的折射光为第三淞冰折射光L1-1-3-1，反射光为第三淞冰反射光L1-1-3-2，其中L1-1-3-2会折射回至接收光纤束3成为第三淞冰接收光L1-1-3-3，并形成返回传播的第四淞冰反射光L3-3。同样，在第一接收光纤束2中也会有冰层-空气界面反射光造成的返回传播光，这里不予赘述。综上所述，当探测端表面发生淞冰结冰时，第一，第二接收光纤束2和3接收到的光信号比没有结冰信号时的信号会明显增大。在一定结冰厚度范围内，信号增加的幅度就与结冰厚度成确定的单调关系，通过信号检测及处理系统求解出信号增长的幅度，就可实现结冰厚度的定量探测。

图6所示为探测端表面发生明冰结冰时，第一，第二接收光纤束2和3接收光信号的变化情况，以及接收光纤束信号幅度下降的情况。

明冰冰层内部结构特点是冰层透明，质地致密，空气隙很少。第一部分发射光L1-1在探测端-冰层界面产生第一折射光L1-2，由于冰层和空气的折射率不同，因此，这时折射至冰层内的第一折射光L1-2会比没有结冰时的折射光的光强度要大，又因为发射光L1的总强度一定，这样，就造成第一部分接收光L1-3、第二部分接收光L1-4要比没有结冰发生时的光强度要小，从而返回传播的第一部分反射光L2-1和第二部分反射光L3-1之功率也相应地减少。第一折射光L1-2在冰层-空气界面发生折射和反射，分别形成折射到空气中的明冰折射光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又会在冰层-探测端界面处折射至第一接收光纤束2和第二接收光纤束3内部，图6中只绘出了折射至第二接收光纤束3内部的明冰接收光L1-2-3，如图中只绘出的第二明冰反射光L3-2。但这部分返回的第二明冰反射光L3-2的光强度仍不足以弥补第二部分反射光L3-1减小的部分。L2-1，L3-1，L3-2形成能被第一，第二接收光纤束2和3接收的返回传播光。

综上所述，当有明冰发生在探测端表面时，接收光纤束接收到的光信号强度比没有结冰发生时的接收光信号强度要小，因此，接收光纤束接收的光信号是以减小的形式在变化。在一定结冰厚度范围内，信号幅度随结冰厚度增加成对应的单调下降关系。通过信号检测及处理系统求解出信号负向增长的幅度，就可实现结冰厚度的定量探测。

以下再简要说明探测端表面发生混合型结冰时，第一接收光纤束2、第二接收光纤束3接收光信号的变化情况。

混合型结冰是两种典型结冰淞冰和明冰的混合状态，其内部结构特点是冰层内有少量空气隙，但同时又有一定的透明性和致密性。

本实用新型中通过选择合适的探测面与光纤轴的夹角，发射光纤束和接收光纤束的面积等参数，可以实现当有混合型冰发生时，第一接收光纤束2、第二接收光纤束3接收到的信号幅度会比没有结冰发生时的接收信号大，但又明显低于淞冰时的信号幅度，这样，呈现出与淞冰信号特征完全不同的信号特点，从而实现对三种不同结冰类型的识别。

可用图7来说明本实用新型对三种不同冰型的识别和结冰厚度定量探测的实现原理。图7中纵坐标V为用于本实用新型的信号调理电路的输出电压信号，单位伏特，横坐标为结冰厚度h，单位毫米。当没有结冰发生时，为初始状态V0，如虚线所示；当有淞冰发生时，V随着冰厚h增大而增大，如淞冰识别曲线V1-h所示；当有明冰发生时，V随着冰厚h增大而减小，如明冰识别曲线V3-h所示；当有混合型结冰发生时，V随着冰厚h增大而增大，如混合冰识别曲线V2-h所示。由于三条曲线V1-h、V2-h和V3-h的形态完全不同，通过信号检测及处理系统的信号分析和求解，能够以较高的可靠度区分和识别出三种不同结冰类型。当结冰类型确定后(也即确定了结冰探测的特性曲线后)，即可从相应的曲线上较精确地获得结冰厚度大小的定量结果。有了结冰厚度定量检测结果，就可计算出单位时间内结冰厚度的增长，从而实现对结冰强度(结冰速率)的求解。

图8自左至右依次为为探测端端面4为与光纤束光轴方向夹角α分别是15°、45°和85°的斜面时的示例。当斜面角度在15°～85°范围变化时，导致第一部分发射光L1-1的折射角和反射角发生变化，进而影响发射光L1的出射光量及反射光量，从而进一步影响第一，第二返回光L2，L3的接收光信号的强弱，使图7的三条冰型识别曲线V1-h、V2-h和V3-h的形态发生变化，从而影响本实用新型对冰型识别的能力。试验表明：在探测端端面4与光纤束光轴方向夹角α小于15°或大于85°时，明冰识别曲线V3-h不再呈下降趋势，此时三条冰型识别曲线V1-h、V2-h和V3-h形态相似且相互均有部分重合，从而导致无法识别冰型；当α取15°～85°之间的合适角度45°时，此时三条冰型识别曲线V1-h、V2-h和V3-h形态如图7所示，能够很好的区分出三种冰型；当α取15°～45°或α取45°～85°时，三条冰型识别曲线V1-h、V2-h和V3-h形态大体不变，但V1-h，V3-h有向V2-h逐渐靠拢的趋势，此时仍能区分出三种冰型，但识别能力较α取45°要稍弱些，且当α越接近临界角15°或85°时，识别能力就越弱。

图9、图10所示为本实用新型的实施例2，实施例2与实施例1的不同之处在于：探测端端面4的形状为直圆柱面；探测端横截面形状为矩形，其他参数都与实施例1相同。

实施例2的原理与实施例1类似，因为二次曲面可近似看成是由很多个斜面组成的，而这些斜面与光纤束光轴方向的夹角绝大部分都在15°～85°范围内，从而在探测端端面4为二次曲面时，最终得到的三条冰型识别曲线形态仍与图7相似，从而能区分出三种冰型。

图11自左至右依次为本实用新型探测端端面4分别为椭球面、直圆锥面和直圆柱面时的示例。上述三种曲面都可以看成是由无数个很小的斜面拼在一起组成的，定性分析可知：椭球面中α取15°～45°的斜面占大多数；直圆锥面中α取45°～85°的斜面占大多数；直圆柱面中α取45°附近的斜面占大多数。再结合上面对斜面的分析及试验，结果表明：探测端端面4为直圆柱面时，三条冰型识别曲线V1-h、V2-h和V3-h形态如图7所示，能够很好的区分出三种冰型；探测端端面4为椭球面或直圆锥面时，三条冰型识别曲线V1-h、V2-h和V3-h形态大体不变，但V1-h，V3-h有向V2-h逐渐靠拢的趋势，此时仍能区分出三种冰型，但识别能力较直圆柱面要稍弱些。

Claims (3)

1.一种光纤式结冰传感器，包括发射光纤束和接收光纤束，所述发射光纤束和接收光纤束的一端集束排列在一起形成探测端，发射光纤束的另一端装有发光器件，接收光纤束的另一端装有光电接收器件，其特征在于：

构成所述探测端的发射光纤束为一束，接收光纤束为两束，发射光纤束和第一、第二接收光纤束之间采用能够透光的粘接胶粘合；

所述探测端端面形状为二次曲面或者与光纤束光轴方向夹角α＝15°～85°的斜面；

所述探测端横截面形状为圆形或矩形。

2.如权利要求1所述的光纤式结冰传感器，其特征在于：

所述探测端端面形状的二次曲面为椭球面、直圆柱面、直圆锥面、单叶双曲面或者椭圆抛物面。

3. 如权利要求1或2所述的光纤式结冰传感器，其特征在于：

构成所述探测端的发射光纤束和接收光纤束的排列方式依序为：发射光纤束、第一接收光纤束、第二接收光纤束，发射光纤束和第一、第二接收光纤束在探测端中所占用的面积各为1/3。

Images