王 寬， 薛珍麗， 趙振剛， 李英娜， 謝 濤， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引 言

結(jié)冰是北方寒冷地區(qū)較常見(jiàn)的現(xiàn)象,冬季有絕大多數(shù)的河流、湖泊及海洋都會(huì)出現(xiàn)不同程度的冰情狀況,尤其在冰消過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生冰流堵塞形成冰壩。這些狀況會(huì)阻塞水流的流動(dòng)，會(huì)造成水域上游的水位增高，這樣會(huì)對(duì)堤壩的安全、水域的設(shè)施和沿岸人民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1～3]。因此,對(duì)冰層厚度及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)是預(yù)防災(zāi)難發(fā)生的重要信息。2009年，秦建敏等人基于冰的微導(dǎo)電性和水的弱導(dǎo)電性原理檢測(cè)冰層厚度，是在棒形傳感器上按一定刻度設(shè)置一對(duì)金屬觸點(diǎn)，檢測(cè)串聯(lián)電路中分壓電阻器上的電壓來(lái)判斷測(cè)點(diǎn)位置[4]。2010年，劉珍等人根據(jù)空氣、冰和水的電容特性差異，通過(guò)檢測(cè)垂直放在水中的平行板電容器的電容值來(lái)推算出冰層的厚度[5]。2011年，陳哲等人采用空氣、冰和水的電阻值和溫度變點(diǎn)相結(jié)合的方法測(cè)量冰層厚度，通過(guò)放置在冰水中均勻排列的觸點(diǎn)和溫度傳感器，推算出冰層厚度[6]。

本文利用冰水溫度的差異，使用光纖Bragg光柵(FBG)作為傳感單元檢測(cè)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)冰層厚度的監(jiān)測(cè)。

1 傳感器的工作原理

設(shè)計(jì)采用FBG作為測(cè)溫傳感單元，封裝成連接式螺旋體結(jié)構(gòu)的縱向測(cè)溫陣線，實(shí)時(shí)獲取冰生消過(guò)程中的溫度變化，根據(jù)冰水的溫度變點(diǎn)推算出冰層厚度。

FBG溫度傳感原理是由于外界溫度的變化引起FBG波長(zhǎng)的移位。光纖的熱膨脹效應(yīng)、熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)這3種效應(yīng)會(huì)影響FBG的有效折射率neff和光柵平面的周期間隔，引起波長(zhǎng)的移位。

FBG反射光λB的峰值波長(zhǎng)滿(mǎn)足光柵方程

λB=2neffΛ,

(1)

式中Λ為Bragg光柵的周期,μm;neff為光纖的有效折射率;λB為FBG的中心波長(zhǎng)值,nm。

當(dāng)溫度變化時(shí)，會(huì)引起光柵波長(zhǎng)的漂移，其相對(duì)Bragg波長(zhǎng)移位為

(2)

式中 Δa為由熱膨脹引起的光纖直徑變化；αn=(1/neff)?neff/?T為熱光系數(shù)；(Δneff)ep為由熱膨脹引起的彈光效應(yīng)；?neff/?α為由熱膨脹導(dǎo)致光纖芯徑變化而產(chǎn)生的波導(dǎo)效應(yīng)；αΛ=(1/Λ)?Λ/?T為光纖的線性熱膨脹系數(shù)[7～9]。FBG的中心波長(zhǎng)移位量與光纖的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)有關(guān)，隨著溫度發(fā)生變化，F(xiàn)BG溫度傳感器FBG波長(zhǎng)的漂移量與溫度的變化量呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系。

由于水面結(jié)冰是從四周向中間，從上向下，所以，冰與空氣界面的傳感器編號(hào)在安裝后就可以確定，根據(jù)冰與水的溫度變點(diǎn)的機(jī)理，通過(guò)檢測(cè)冰水的縱向溫度分布判別冰與水的分界面處傳感器的位置。水的溫度大于0 ℃，而冰層內(nèi)部溫度小于0 ℃的，通過(guò)縱向等距離分布的FBG判斷冰水的分界面處傳感器的位置，根據(jù)測(cè)量裝置的幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算得到冰層的厚度。為了解決光纖短距離熔接困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了螺旋體結(jié)構(gòu)。使用連接式結(jié)構(gòu)封裝，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)的需要改變監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和通過(guò)調(diào)整U型管與直通管之間的角度改變各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的距離調(diào)整測(cè)量范圍及提高檢測(cè)精度，傳感器結(jié)構(gòu)圖參見(jiàn)圖1。

圖1 連接式螺旋體FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖

將FBG封裝在螺旋體的每層的直通管中，自上而下編號(hào)1～N，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)由于受到被測(cè)物的溫度變化而產(chǎn)生變化，根據(jù)溫度變化和解調(diào)到的FBG的波長(zhǎng)偏移量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系得到被測(cè)點(diǎn)的溫度。從而置于被測(cè)水域可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)水域的冰水溫度情況，由于冰水之間的變點(diǎn)溫度0 ℃，根據(jù)第一個(gè)監(jiān)測(cè)到0 ℃監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器編號(hào)N和檢測(cè)到冰層表面溫度的傳感器標(biāo)號(hào)M，得到冰層厚度D=(N-M)d。

連接式螺旋體FBG冰層厚度傳感器主體結(jié)構(gòu)包括FBG、直通管和U型管。FBG的粘貼是采用具有較強(qiáng)抗腐蝕性、強(qiáng)度適中、耐溫防水的環(huán)氧樹(shù)脂調(diào)和固化劑調(diào)和后作為粘貼劑，將FBG粘貼在直通管，見(jiàn)圖2，然后與帶有螺紋弧度半徑為30 mm的U型管連接,傳感器見(jiàn)圖3。

圖2 封裝在直通管中的FBG溫度傳感器實(shí)物圖

圖3 傳感器實(shí)物圖

2 測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)的需要，實(shí)驗(yàn)采用中心波長(zhǎng)分別為1 559.572，1 553.209,1 547.039,1 541.113,1 537.99,1 531.548,1 524.224 nm的FBG。縱向深度選擇的是每個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離為40 mm，在冰未生成之前將測(cè)溫裝置放置在試驗(yàn)場(chǎng)中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離調(diào)整為40 mm，并且保證在水面上方空氣中有2個(gè)測(cè)點(diǎn)，在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的是水面之上大氣中1個(gè)測(cè)點(diǎn)，水中測(cè)點(diǎn)數(shù)大于等于1個(gè)，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,本實(shí)驗(yàn)采用冰箱中的冰放在水箱中冰消的過(guò)程中的溫度分布，冰消過(guò)程中不同厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)參見(jiàn)表1～表5。測(cè)試實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為13℃。

表1 冰層厚度為185 mm時(shí)冰消過(guò)程中測(cè)量數(shù)據(jù)表

表2 冰層厚度為165時(shí)冰消過(guò)程中測(cè)量數(shù)據(jù)表

表3 冰層厚度為108mm時(shí)冰消過(guò)程中測(cè)量數(shù)據(jù)表

表5 冰層厚度為42mm時(shí)冰消過(guò)程中測(cè)量數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)得到的冰層厚度值的測(cè)量誤差大小主要由各個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離d大小決定，并且誤差為[0,d/2]，所以，可以根據(jù)被測(cè)對(duì)象和精度要求改變U型管和直通管之間的角度來(lái)改變測(cè)點(diǎn)之間的距離，從而減小改裝置的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)不同厚度的冰在冰消過(guò)程中的厚度檢測(cè)，結(jié)果表明：最大誤差為12 mm，小于各測(cè)點(diǎn)間距40 mm的50 %。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種連接式螺旋體結(jié)構(gòu)冰層厚度傳感器。該傳感器采用FBG溫度傳感器縱向測(cè)量冰層與水的溫度差異確定冰水的分界面，根據(jù)測(cè)量裝置的幾何結(jié)構(gòu)得到了冰層厚度。采用導(dǎo)熱系數(shù)比較好的毛細(xì)紫銅管作為螺旋體結(jié)構(gòu)材料。由于FBG作為傳感元件，具備電絕緣、抗電磁干擾、抗腐蝕等特點(diǎn)，適用于環(huán)境惡劣的水域的冰層監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：傳感器的靈敏度最大為10 pm/℃，最小為9.9 pm/℃；非線性度誤差最大為1.34 %FS，最小為0.68 %FS；重復(fù)性誤差最大為2.75 %FS，最小為1.70 %FS。在此項(xiàng)檢測(cè)中得到了較為準(zhǔn)確的冰層厚度，檢測(cè)到的冰層厚度和鋼尺檢測(cè)到的厚度基本一致，測(cè)量誤差大小主要有測(cè)點(diǎn)之間的距離大小來(lái)決定，小于各測(cè)點(diǎn)之間的半間距。測(cè)點(diǎn)間距可以根據(jù)需要，調(diào)節(jié)U型管所在斜面和直通管所在平面角度改變。

參考文獻(xiàn):

[1] 高霈生，靳國(guó)厚，呂斌秀.南水北調(diào)中線工程輸水冰情的初步分析[J].水利學(xué)報(bào)，2003(11)：96-101.

[2] 于天來(lái)，雷俊卿，單思鏑，等.春季河冰流凌對(duì)橋墩撞擊作用計(jì)算模型的研究[J].振動(dòng)與沖擊，2011，30(6)：192-195.

[3] Garcia E.A comparison of sea ice field observations in the Ba-rents Sea marginal ice zone with satellite SAR data[C]∥2002 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,IGARSS’02,2002：3035-3037.

[4] 秦建敏，沈 冰.利用水的導(dǎo)電特性對(duì)冰層厚度進(jìn)行數(shù)字化自動(dòng)檢測(cè)的研究[J].冰川凍土，2003,25(2):281-284.

[5] 劉 珍，李 陽(yáng).基于PS021的電容式冰層厚度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2010，40(23)：76-81.

[6] 陳 哲，秦建敏.黃河河道冰水情定點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2010,40(22):115-119.

[7] 李 川，張以謨，趙永貴.光纖光柵原理、技術(shù)與傳感應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[8] 謝 芳，張書(shū)練，李 巖.溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)力傳感系統(tǒng)的研究[J].光學(xué)技術(shù)，2001，27(5)：393-395.

[9] Hill K O,Fujii Y，Johnson D C，et al.Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication[J].Applied Physics Letters，1978，32(10)：647-649.

[10] 李 川.光纖傳感器技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.