一种基于紫外日盲波段的可识别冰型的光纤结冰传感器

1.本发明涉及光学领域，具体涉及光纤结冰探测领域中冰的光学性质、光在冰中的传播特性、光在光纤中的传播和全反射原理。


背景技术：

2.不论是风电行业还是航空领域，结冰问题都是行业研究的焦点问题，结冰现象不仅仅影响了风力机发电效率还给风力机组的正常运行带来了严重的危害。风力机被广泛安装在严寒地区，以我国风能分布为例风功率密度大于500w/m2的区域为东南沿海、山东半岛、辽东半岛、三北地区、松花江下游区，以上区域除东南沿海外其余地域在冬季均会出现结冰情况。当有冰附着在风力机叶片上的时候，不仅增加了风力机叶片的重量，导致发电效率的降低。还会破坏风力机叶片的气动外形，造成风力机的损坏，此外当冰从风力机叶片上脱落之后会风力机发电场造成一定的安全隐患。另一方面，在航空领域，多年来报道了大量的结冰导致的飞机坠毁事故，因此结冰探测具有不可估量的价值和现实意义。
3.2003年诞生了世界上首款光纤结冰传感器，2010年以后华中科技大学和中国空气动力研究与发展中心等机构也在国内开展了基于光强调制光纤结冰探测的研究。但是由于结冰环境的复杂性，导致冰有多种类型，而不同类型的冰又具有不同的光学性质导致光在冰中传播特性也有极大的差别。针对不同类型的冰采用不同的光强调制函数是光纤结冰传感器准确报告冰厚的关键问题。而解决这个关键问题的重中之重就是要能准确的识别结冰的类型。这个问题的解决将是光纤结冰传感器发展的巨大进步。
4.光纤结冰传感器具有探头尺寸小、便于安装、灵敏度高的优点。但是截至目前公开报道的所有光纤结冰传感器都是通过尽可能地增大接收光纤接收到的不同类型冰的光强调制函数曲线的差异来判别结冰类型。判别冰型的信号和预报冰厚的信号来自同一个光路造成了冰型识别准确性和冰厚预报精度不能同时满足的同时还增加了结构设计的难度。因此引入单独的光纤来进行冰型识别在可以同时兼顾冰型识别准确性和冰厚预报精度还可以通过独立设计冰厚预报结构和冰型识别结构来降低传感器的设计难度。
5.截至目前为止所有的光纤结冰传感器都采用了红外波段光源，对于要明确提高冰型分辨能力的光纤传感器来说波长更短的紫外日盲波段相较于波长较长的红外波段会增强霜冰的散射效应，从而增大霜冰和明冰的光学特性差异。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有的光纤结冰传感器不能准确识别冰型导致的探测结果误差大和不确定性的问题，提出了一种应用专用的判别光纤来识别冰型的新型光纤结冰传感器，解决了目前所有光纤结冰传感器无法准确识别冰型的问题。
7.本发明针对现有的光纤结冰传感器普遍采用红外波段光源而不能极大的区别开明冰和霜冰的光学特性和易受自然杂散光的影响的弊端提出了使用紫外日盲波段光源，同时解决了增大霜冰与明冰光学特性和消除自然杂散光影响的问题。
8.本发明能广泛的应用于各类飞行器、风力机等等处于恶劣复杂结冰环境下的易结冰部位的结冰探测，具有优异的环境适应能力和广泛的应用领域。
9.所述新型探头结构由发送光纤束、判别光线束、接收光纤束1、接收光纤束2、由光学材料制成的插接式光纤束保护套构成。
10.本发明的发送光纤束、判别光纤束、接收光纤束1和接收光纤束2的插接方式承一字排列。所有光纤束在插接时光纤轴线均垂直于光纤保护套的表面。
11.本发明的插接式光纤束保护套出射端面和光纤端面之间的厚度h可根据实际要求调节。
12.通过调节h的大小可以调节光纤结冰传感器探测死区的大小、还可以选择光强调制函数的前坡或是后坡作为冰厚的标定曲线。
13.判别光纤斜端面与保护套端面之间的厚度h不能为0以保证全反射条件。
14.本发明判别光纤束端面是不与光纤轴线垂直的带有斜角的光纤束，斜角最大为α。明冰反射回的光线入射到判别光纤端面时大于全反射角被判别光纤端面全反射，而霜冰后向散射的部分光线小于全反射角可以进入判别光纤。
[0015][0016]
其中：n1是冰的折射率，n2为插接式光纤束保护套的折射率，n2》n1，θ是反射光线在判别光纤斜端面与光纤探头连接处界面的最小入射角。
[0017]
α与θ互为余角，α＝90
°‑
θ。
[0018]
判别光纤包层外表面应该被吸波材料涂黑，防止光纤束保护套内的光耦合进判别光纤，出现判别信号误报的情况。
[0019]
本发明采用了紫外日盲波段的光源。
[0020]
紫外日盲波段在大气层内的光强近乎为零，采用紫外日盲波段的光源避免了自然杂散光的影响。
[0021]
紫外日盲波段相较于红外波段波长更短，会增强霜冰的散射特性i(λ)
∝
1/λn，从而更加明显的区别明冰和霜冰。
附图说明
[0022]
本发明将参照附图的的方式说明，其中：
[0023]
图1是本发明的探头结构；
[0024]
图2是冰与传感器的位置关系图；
[0025]
图3是明冰的光路图；
[0026]
图4是霜冰的光路图。
具体实施方式
[0027]
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似特征中的替代特征加以替换。既，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0028]
本实施案例的光纤保护套材料为光学玻璃lak3,光纤为外径1.1mm\内径1mm的纤
芯为pmma材料的塑料光纤。
[0029]
本实施案例的判别光纤倾角为60
°
。
[0030]
采用打孔的方式在直径6mm、高度5mm的圆柱形lak3光学玻璃上以其底部圆心为中心在某一直径上对称的打4个圆形孔，其中最右侧孔带有斜角，斜角大小为60
°
，以契合判别光纤的斜角。
[0031]
打孔深度为4.9mm。
[0032]
将判别光纤2、判别光纤1、发送光纤、判别光纤依次按照图示的位置通过光学胶胶合的方式插入光纤束保护套。
[0033]
发送光纤发送端接波长为265nm的紫外光源。
[0034]
判别光纤2、判别光纤1和判别光纤的接收端分别接光电二极管，实现光电转换。


技术特征：
1.一种基于紫外日盲波段的可识别冰型的光纤结冰传感器，其特征在于：所述可识别冰型是通过引入轴线与光纤保护套表面垂直的带有斜角的判别光纤来识别冰型的。带有斜角的判别光纤使明冰与空气界面的反射光被全反射而不能进入判别光纤，而霜冰因为有部分后向散射光线不满足全反射条件而可以进入判别光纤。从而以判别光纤信号的有无来识别结冰类型。所述判别光纤的斜角是为了满足明冰反射光线入射到判别光纤端面时的全反射条件，以反射光平行判别光纤轴线入射的极端情况为例，斜角的余角则为透射光线的入射角，当入射角大于全反射角时则没有光线进入判别光纤。判别光纤的包层外表面用吸收材料涂黑。所述紫外日盲波段是本发明所采用的光源。2.根据权利要求1所述的判别光纤信号的有无来识别冰型，因为明冰也含有少量气泡会引起一定的散射，但其引起的散射效应远远小于霜冰，因此需要根据不同类型冰的散射设置采集信号强度的阈值。当低于阈值时判别光纤无信号，冰型为明冰；反之则为霜冰。3.根据权利要求1所述的紫外日盲波段其特征是波长在200～275nm的紫外光，其目的是消除自然杂散光的影响，同时增强霜冰的散射性质。4.根据权利要求1所述的光纤保护套其基本形状为圆柱体、在其内部按一字排列的方式打四个圆柱形孔，其中最右侧孔的顶端带有斜角，斜角的大小与判别光纤斜角大小相等。5.根据权利要求1所述的光纤保护套的材料可以根据要求更换。6.根据权利要求3所述的光纤保护套所打圆柱孔的深度可以根据实际需要设置为小于光纤保护套高度的任意值。7.根据权利要求3所述的一字排列的孔的间隙可以为0，也可以根据实际需要设置为不为零的值。8.根据权利要求1所述的光纤保护套与光纤的连接方式是用光学胶胶合插接。

技术总结
本发明公开了一种具有冰型识别能力的新型光纤结冰传感器，并首次将紫外日盲波段应用于光纤结冰探测领域。以探索复杂环境的结冰探测问题为目的，在保证不破坏结冰表面正常性能的前提下，通过光纤结冰传感器探头的创新和紫外日盲波段的引入，以此来提高光纤结冰传感器的冰型识别能力，从而提高光纤结冰传感器的探测精度。本发明中应用的紫外日盲波段在大气层内光强近乎为零，通过此波段的应用不仅解决了自然杂散光对结冰探测的影响还放大了霜冰的散射效应，从而极大的降低了信号处理的难度，简化了数据处理电路。此外，本发明可以应用于多种复杂恶劣结冰环境，具有适应性好、应用范围广的优点。围广的优点。围广的优点。


技术研发人员：李绍荣 张驰 肖春华 吕辉岩 严宏凯
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2022.04.13
技术公布日：2022/8/2