基于連接式螺旋體結(jié)構(gòu)的FBG冰層厚度傳感器研究*

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)較常見的現(xiàn)象,冬季有絕大多數(shù)的河流、湖泊及海洋都會出現(xiàn)不同程度的冰情狀況,尤其在冰消過程中，可能會發(fā)生冰流堵塞形成冰壩。這些狀況會阻塞水流的流動，會造成水域上游的水位增高，這樣會對堤壩的安全、水域的設(shè)施和沿岸人民的生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1～3]。因此,對冰層厚度及時、準(zhǔn)確的監(jiān)測和預(yù)報是預(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)電性原理檢測冰層厚度，是在棒形傳感器上按一定刻度設(shè)置一對金屬觸點(diǎn)，檢測串聯(lián)電路中分壓電阻器上的電壓來判斷測點(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，通過檢測垂直放在水中的平行板電容器的電容值來推算出冰層的厚度[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)合的方法測量冰層厚度，通過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)作為傳感單元檢測溫度來實(shí)現(xiàn)冰層厚度的監(jiān)測。

1 傳感器的工作原理

設(shè)計采用FBG作為測溫傳感單元，封裝成連接式螺旋體結(jié)構(gòu)的縱向測溫陣線，實(shí)時獲取冰生消過程中的溫度變化，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)會影響FBG的有效折射率neff和光柵平面的周期間隔，引起波長的移位。

FBG反射光λB的峰值波長滿足光柵方程

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的中心波長值,nm。

當(dāng)溫度變化時，會引起光柵波長的漂移，其相對Bragg波長移位為

(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，通過檢測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)測量裝置的幾何結(jié)構(gòu)計算得到冰層的厚度。為了解決光纖短距離熔接困難的問題，設(shè)計了螺旋體結(jié)構(gòu)。使用連接式結(jié)構(gòu)封裝，可以根據(jù)監(jiān)測的需要改變監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量和通過調(diào)整U型管與直通管之間的角度改變各個測量點(diǎn)的距離調(diào)整測量范圍及提高檢測精度，傳感器結(jié)構(gòu)圖參見圖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1～N，F(xiàn)BG的中心波長由于受到被測物的溫度變化而產(chǎn)生變化，根據(jù)溫度變化和解調(diào)到的FBG的波長偏移量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系得到被測點(diǎn)的溫度。從而置于被測水域可以實(shí)時監(jiān)測被測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)第一個監(jiān)測到0 ℃監(jiān)測點(diǎn)的傳感器編號N和檢測到冰層表面溫度的傳感器標(biāo)號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 測試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)監(jiān)測的需要，實(shí)驗(yàn)采用中心波長分別為1 559.572，1 553.209,1 547.039,1 541.113,1 537.99,1 531.548,1 524.224 nm的FBG?？v向深度選擇的是每個測點(diǎn)之間的距離為40 mm，在冰未生成之前將測溫裝置放置在試驗(yàn)場中，各個測點(diǎn)的距離調(diào)整為40 mm，并且保證在水面上方空氣中有2個測點(diǎn)，在本實(shí)驗(yàn)過程中采用的是水面之上大氣中1個測點(diǎn)，水中測點(diǎn)數(shù)大于等于1個，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程中的溫度分布，冰消過程中不同厚度檢測數(shù)據(jù)參見表1～表5。測試實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為13℃。

表1 冰層厚度為185 mm時冰消過程中測量數(shù)據(jù)表

表2 冰層厚度為165時冰消過程中測量數(shù)據(jù)表

表3 冰層厚度為108mm時冰消過程中測量數(shù)據(jù)表

表5 冰層厚度為42mm時冰消過程中測量數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)得到的冰層厚度值的測量誤差大小主要由各個測點(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)被測對象和精度要求改變U型管和直通管之間的角度來改變測點(diǎn)之間的距離，從而減小改裝置的測量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

3 結(jié) 論

本文設(shè)計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溫度傳感器縱向測量冰層與水的溫度差異確定冰水的分界面，根據(jù)測量裝置的幾何結(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。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。在此項檢測中得到了較為準(zhǔn)確的冰層厚度，檢測到的冰層厚度和鋼尺檢測到的厚度基本一致，測量誤差大小主要有測點(diǎn)之間的距離大小來決定，小于各測點(diǎn)之間的半間距。測點(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。

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