JS-GD系列光纤式结冰传感器

一、产品概述：

JS-GD系列光纤式结冰传感器是一种检测飞机、输电线、建筑、道路、风力发电叶片等物体表面结冰厚度的传感器，通过结冰传感器可以将结冰信号转换为可以直接检测的电学信号。

光纤式结冰传感器是用两根同心结构的光纤，中心圆形为发射光纤，可以发出红外光；外围圆环形为接收光纤，可以接受和检测散射和反射回来的红外光。光纤探头端面是一个平面玻璃，玻璃上没有结冰时，发射光纤发射的红外光全部透光玻璃端面进入空气，接收光纤接收不到任何红外光；当玻璃端面上有结冰时，发射光纤发出的部分红外光由于被冰层散射和反射而被接收光纤接受。通过检测接收光纤接收到的红外光的强弱，达到检测结冰的目的。

二、产品特点：

1、JS-GD系列光纤式结冰传感器传感器是一种数字化冰厚测量仪器，具有体积小、功耗低、测量精度高等优点2、标准RS232/485/USB/zigbee/蓝牙通讯功能，支持标准MODBUS通讯协议，可以通过有线连接、局域网连接、光纤连接、Modem连接、GPRS移动通讯、数传电台、3G通讯、卫星通讯等多种通讯方式与气象站接收服务器组成气象监测系统。

GPRS移动通讯技术是由我公司的新一代分组转移传输模式，该模式允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。GPRS永远在线，按流量计费，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

3、冰厚测量管理软件WINDOWS2000以上环境运行并支持新WIN7x32位和x64位操作系统,实时显示各路数据，每隔1秒自动更新一次，每组数据自动存储（存储时间可以设定）。支持实时数据和历史数据下载，可以定时下载或手动模式下载数据，与打印机相连自动打印存储数据，生成标准气象图文报表及统计分析曲线、图形表盘或二维图表数据，数据存储格式有EXCEL、TXT、PDF、JPEG、HTML等多种格式，可供其它软件调用进行统计分析处理并拥有强大数据库管理功能。友好的界面美观得体、方便易用，具有故障诊断提醒服务便于用户尽快找出设备问题所在处。可以同时采集管理多套气象站数据，支持组网气象站数据统计。支持RS232、RS484、GPRS、LAN以及无线电台与下位机通讯。使用气象数据采集仪SD卡存储数据可通过软件进行历史数据智能上传。

5、电源供电系统有市电220V、直流5V、12V和太阳能供电系统多种方式进行选择。气象数据采集器配备有绿色节能电源管理模块系统，如使用太阳能系统方式供电，可保证连续阴雨天情况下十天无断电稳态工作。

6、配备新一代外接控制管理模块，通过该管理模块可以外接气象信息显示屏，用于实时显示气象数据和其它业务信息。它适于显示文字、文本、图形、图像、动画等各种信息，可在室外全天候运行。该设备是在公共场所进行气象数据显示及信息发布和企业形象宣传的有效工具和良好窗口。同时该管理模块可以控制管理外接设备的工作状态，例如外接报警系统的的启动和关闭。

三、基本原理和数据

传感器结构设计主要分为探头分布模式的设计、光纤的选择、发射器件和接收器件的选用以及前置放大器的设计等几个方面.其中探头分布模式的设计是其核心部分, 它决定了光纤式结冰传感器的输出特性.

以Y 型传导型光纤为基本结构的光纤式结冰传感器，如上图所示.当传感器探测头端面无结冰发生时, 发射光将沿发射光纤射入空气, 接收光纤探测不到任何发射光.当探测表面有冰结成时,光在冰层内产生反射、散射、透射和吸收等现象 其中冰层-空气界面的反射光以及在冰层内的部分散射光经传感器探头端面进入接收光纤,接收光纤末端装有光电二极管及信号处理电路,通过接收光信号的强度检测出冰厚状态信息.

1.1原理图                               1.2接受光源与冰层厚度对比曲线                 

本光纤式结冰传感器采集的是冰层-空气界面的反射光以及在冰层内的散射光, 其中对反射光的检测与反射式光强调制型光纤位移传感器有一定的相似性.光纤位移传感器的信号输出-位移特性曲线的形状取决于光纤探头的分布模式.根据测量范围及灵敏度的不同要求, 可以选择不同的探头光纤分布模式, 如随机分布、半圆分布、同心圆分布等.由这些不同模式的响应曲线可知, 在同心圆分布模式下,对其探测曲线的前坡部分进行分析处理可得到较高的灵敏度.鉴于同心圆分布结构对称、工艺制作方便, 且有利于提高检测灵敏度等优点, 因而选择同心圆分布作为本传感器光纤探头的分布模式.采用的光纤探头结构为内圈的发射光纤与外圈的接收光纤呈同心圆分布, 具有较高的耦合效率.

2.1光路分析与冰厚测量

分有无结冰两种情形分析同心圆分布模式的传感器探头表面光学现象, 如下图所示.对有结冰情形进行了简化, 假设生成的冰为均匀介质.

a.探头表面无结冰发生.由全反射原理可知, 当光由光密介质(光纤)射入到光疏介质(空气)的光滑分界面, 且入射角θ0 大于临界角θm时, 入射光将会发生全反射.在本试验研究中, 光纤-空气界面的临界角θm1 =40°, 探头表面的入射光入射角为θ0max =14 .6°<θm1 , 故入射光不可能发生全反射.此时, 入射光分成两部分:一部分穿过光纤-空气界面进入空气;另一部分在光纤-空气发生发射, 即I0 =I1(反射)+I2(折射),接收光纤探测不到任何发射光.

b .探头表面有结冰发生.当探头表面发生结冰现象, 入射光线由光纤射入到冰层时, 也可能会发生全反射.本试验研究中, 光纤-冰层界面的临界角θm2 =58°, θ0max <θm2 , 故在光纤内传播的光线不会发生全发射.此时, 入射光也分成两部分:一部分穿过光纤-冰层界面进入冰层内部;另一部分在光纤-冰层界面发生反射, 即I0 =I1(反射)+I2(折射), 如图2 所示, 反射光没有通过界面, 不能被接收光纤探测到, 形成光能损失.   

反射光通量与入射光通量之比称为反射比,通常以ρ表示,

，（1）式中θ0 和θ1 分别为入射角和折射角.当光垂直或以很小的入射角入射时, 上式中的正弦和正切函数均可用角度的弧度值代替, 再考虑折射定律, 则上式可简化为

，（2）式中:n′为折射光所在介 质的折射率;n 为入射光所在介质的折射率.

由式(1)和(2)可知, 在光纤-冰层界面的光反

射比为0 .6 %, 即99 .4 %的光将折射进入冰层, 光能损失很小.进入冰层内的光I2 继续传播而发生散射和吸收, 即I2 =I3(散射)+I4(吸收)+I5 , 当其到达冰层-空气界面时, 再次发生反射和折射,则此时有I5 =I6(反射)+I7 (折射).在冰层增长初期, 冰层-空气界面产生的反射光I 6 和冰层内的散射光I3 均有较大部分被接收光纤所捕获, 并且两者之和在某一冰厚处达到极大值.随着冰厚的增加, 冰层-空气界面反射光减弱, 冰层内以散射光为主, 当冰层达到某一厚度以后, 冰层-空气界面的反射光基本消失, 只有部分散射光I3 能被接收光纤所捕获.

2.2冰厚测量原理

光学材料透明程度的参数可用吸收系数来表示, 定义为单位光程长度上所吸收的入射能量比[ 11] .对于冰的吸收系数, 定义[ 11]为，（3）式中:I 0 为入射光强;I x 是冰表面下x 处的光强;R 为反射系数;α为吸收系数.式(3)定的吸收系数不仅包括了真正被吸收的光强, 还包括了散射的光强.光由I0 减弱至I x , 则吸收了I 0 -I x =I0(1 -e-αx )部分光强.

由以上分析可知, 接收光纤接收到的光信号强度和冰层厚度有关, 通过检测接收光信号的强度及变化趋势, 可达到测量冰厚的目的.

2.3　测量及处理电路设计

由于在光源功率一定的情况下, 接收光纤探测到的光信号较微弱, 故光电检测电路的设计与实现是传感器设计的一个重要的组成部分.光纤结冰传感器将接收到的光强转换为电压信号, 具有其他结冰传感器所不具备的优点.同时, 作为光强调制型传感器, 它又存在致命的缺陷:由于采用光强作为信息载体, 不可避免地要受光电探测器噪声、前置放大器零漂、光源功率波动、光纤传输损耗以及环境杂散光等因素的影响

因此, 要想获得高精度和高稳定性的测量结果, 必须采取有效措施克服这些因素的影响.以调制解调技术为例, 将发光二极管调制成某一固定频率的脉冲光, 而由背景光引起的误差信号通常为缓变的准直流信号或随机信号.这样, 到达光电探测器的信号即为由待测信号调幅的载波交变信号, 只要在后续电路中加上参考频率与光源调制频率相同的锁定放大器, 即可滤去上述误差信号.最后, 再经过低通滤波等措施即可将调幅载波信号恢复成与待测量成正比的直流输出。

3 实验结果分析

根据光纤式结冰传感器对光电信号检测的要求, 构建了结冰检测试验平台.试验平台由半导体制冷器件(主要用于在其工作台面生成冰层)、激光探头(用于测量冰层厚度)以及具有同心圆分布模式探头的光纤式结冰传感器等构成

                            图3　探测系统结构框图

依照上述的探头设计, 在试验温度为-10 ℃和-20 ℃情况下, 通过此试验平台得到光纤式结冰传感器对明冰和霜冰的输出电压-冰厚特性曲线, 如图4 .1所示.图4.1 中的横坐标表示冰层厚度,纵坐标为传感器输出电压, 该值与耦合进接收光纤的光强成正比.由4 图可知, 不同结冰类型的电压-冰厚特性曲线互不相同.

4.1输出电压信号和冰层厚度的对比曲线

      4.2不同温度下的电压-冰厚特性曲线

-10 ℃条件下生成的明冰, 冰体几乎透明,发射光纤中的光进入冰层后发生散射或在冰层-空气界面发生反射.当冰层很薄时, 接收光纤接收的信号主要为界面的反射光.随着冰厚的增长, 散射光和反射光同时增强, 两者之和在0 .6 mm 冰厚附近达到极大值, 此时电压值约为1 .9 V , 因此曲线前坡较陡.随着冰厚的增加, 界面反射光减弱, 以散射光为主, 因此传感器输出降低, 图4 中反映为曲线的后坡较为平缓.当冰厚增加到3 .7mm 后, 界面反射光基本消失, 仅部分散射光被接收光纤所捕获, 故随着冰厚继续增加, 传感器输出变化并不明显, 电压值基本保持在0 .3 V 左右.

对于-20 ℃条件下生成的霜冰, 其特性曲线与明冰时*不同.霜冰是一种Mie 散射介质,散射强度很大, 因此冰体的光透过率低, 约为3 %～ 5 %.发射光纤中的光进入冰层后以散射为主， 随着冰层厚度的增加, 进入接收光纤的散射光越来越强, 在2 .5 mm 冰厚处到达饱和.

由以上分析可知, 电压不仅和冰厚之间存在着一定的对应关系, 还与结冰种类有某种联系.从而在已知电压变化的情况下, 可间接获得冰厚以及结冰种类。

四、产品特点：

1、JS-GD系列光纤结冰传感器主要应用测量高精度冰厚

2、非接触的冰厚测量原理

3、条件下可靠的传感器

4、较高的测量精度

5、传感器节能运行

6、JS-GD系列光纤结冰传感器体积小，结构紧凑，使用简单方便

五、技术指标：

六、安装方法

安装环境：安装在周围干扰（光线太强、电磁干扰等）最小的地方。由于本产品有非接触式的型号，所以可以距离冰面30mm的高度测量冰厚不超过3m的冰层，所以接触式的贴冰面安装，非接触式的固定距离内支架固定安装。

七、常见故障

八、检测性能

衡量结冰传感器检测性能的参数主要有：分辨率、灵敏度、温度系数、准确度、精确度等。

分辨率是指结冰传感器能够感知的最小结冰厚度。

灵敏度是指结冰厚度变化与结冰传感器输出变化的比值。

温度系数是指没有结冰信号时，结冰传感器的输出变化与温度变化的比值。

准确度是指用结冰传感器对同一结冰厚度进行检测，得到一系列数据，这一系列数据的中心点与实际结冰厚度的接近程度。

精确度是指上述一系列数据点相对于其中心点的分散程度。

九、注意事项

由于光线束的发射和接收不是一条直线，有一定的角度，所以光纤结冰传感器会受环境中其他障碍物的影响，和其他强光的干扰。当出现这些情况时，请尽可能改善环境的质量，重新安装光纤结冰传感器的位置。