一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置，包括有寬帶光源、光譜分析儀、光纖耦合器、鍍膜光纖、光纖偏振控制器、光開關(guān)以及光纖探頭，其中，所述寬帶光源和光譜分析儀分別通過光纖連接至光纖耦合器同一側(cè)的a、b兩個(gè)端口；所述鍍膜光纖安裝在光纖偏振控制器上，并連接至光纖耦合器另一側(cè)的c端口；所述光開關(guān)的輸入端連接至光纖耦合器的d端口，其輸出端連接有光纖探頭。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體表面微米級(jí)厚度冰層的超高精度探測(cè)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)結(jié)冰速率。此外，該裝置集成度高、成本低，可實(shí)現(xiàn)分布式、實(shí)時(shí)探測(cè)，特別適用于飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)，實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警，并可廣泛應(yīng)用于其它需要對(duì)結(jié)冰狀況進(jìn)行探測(cè)或監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域。
【專利說明】一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光學(xué)檢測(cè)的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]飛機(jī)結(jié)冰指的是飛機(jī)飛行時(shí)外表面上水分積聚凍結(jié)成冰的現(xiàn)象。結(jié)冰可導(dǎo)致飛機(jī)動(dòng)力變差、失去平衡、妨礙目視飛行、影響通訊，甚至直接損壞飛機(jī)部件，給飛行安全帶來重大隱患，是造成空難的主要原因之一。因此，飛機(jī)的防冰和除冰技術(shù)一直是飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要課題。而高精度的結(jié)冰探測(cè)技術(shù)是機(jī)載結(jié)冰安全防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，對(duì)于保障飛機(jī)安全飛行具有重要的意義。
[0003]目前，已有大量的傳感器技術(shù)用于飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)，主要分為以下幾類:1、光學(xué)法結(jié)冰傳感器，包括目測(cè)法、攝像法、紅外阻斷法、紅外能量反射法和光纖法；2、熱學(xué)法結(jié)冰傳感器，包括電熱法和熱流法；3、電學(xué)法結(jié)冰傳感器，包括電容法、電導(dǎo)法和導(dǎo)納法；4、機(jī)械法結(jié)冰傳感器，包括障礙法、壓差法、諧振法；5、波導(dǎo)法結(jié)冰傳感器，包括超聲脈沖-回波法，微波諧振法，聲板波法，聲表面波法。
[0004]上述技術(shù)可測(cè)量的結(jié)冰厚度大多集中在0.1?5mm范圍內(nèi)。如英國(guó)AerospaceComposite Technologies公司研制的基于光纖法的結(jié)冰傳感器可探測(cè)的冰層厚度為0.1?2mm ;美國(guó)Innovative Dynamics公司研制的基于電容法的結(jié)冰傳感器可探測(cè)的冰層厚度為
0.5?1.5mm ;美國(guó)Rosemount公司和國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)研制的基于諧振法的結(jié)冰傳感器可探測(cè)的冰層厚度分別為0.5?2mm和0.1?2mm ;美國(guó)Simmonds公司研制的基于超聲脈沖-回波法的結(jié)冰傳感器可探測(cè)的冰層厚度為0.6?3.8_。
[0005]在上述技術(shù)中，基于光纖法的光學(xué)傳感器技術(shù)具有高靈敏度、高集成度、抗電磁干擾、信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸性能好、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，因而成為目前最具競(jìng)爭(zhēng)力的新一代飛機(jī)結(jié)冰傳感器，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0006]國(guó)際 PCT 專利“Ice detection apparatus and method” (W02004/1100865A1)提出了一種光纖式結(jié)冰探測(cè)器，由光源、接收光纖束以及光電探測(cè)器陣列組成，通過測(cè)量冰層反射回光纖束的光信號(hào)強(qiáng)度推測(cè)冰層厚度。由于光信號(hào)耦合效率較低，且傳感器輸出電壓為雙值函數(shù)，因此，該方案測(cè)量范圍小、測(cè)量精度低。
[0007]中國(guó)實(shí)用新型專利“光纖式結(jié)冰傳感器”(CN101038183A)中提出了一種類似的裝置，包括由發(fā)射光纖束和接收光纖束組成的探頭，以及光源和信號(hào)檢測(cè)電路，但該方案同樣面臨測(cè)量范圍小和精度較低的問題。
[0008]中國(guó)實(shí)用新型專利“一種光纖式結(jié)冰傳感器”(CN202075225U)對(duì)上述方案進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種雙探頭結(jié)構(gòu)，包括冰厚測(cè)量探頭和結(jié)冰類型識(shí)別探頭，能有效識(shí)別飛機(jī)的結(jié)冰類型，但仍存在測(cè)量范圍小和精度低的問題，其冰層最小檢出下限約為0.1mm。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，提供一種基于光學(xué)相干測(cè)量技術(shù)和光譜分析技術(shù)的超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置，能將冰層厚度檢測(cè)下限提高至微米量級(jí)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)結(jié)冰速率；在飛機(jī)飛行過程中，冰層厚度檢測(cè)下限的提高意味著能夠更早地進(jìn)行安全預(yù)警，從而有更加充足的時(shí)間進(jìn)行防冰和除冰操作，有效地降低空難發(fā)生的概率。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案為:一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置，包括有寬帶光源、光譜分析儀、光纖稱合器、鍍膜光纖、光纖偏振控制器、光開關(guān)以及光纖探頭，其中，所述寬帶光源和光譜分析儀分別通過光纖連接至光纖耦合器同一側(cè)的a、b兩個(gè)端口 ；所述鍍膜光纖安裝在光纖偏振控制器上，并連接至光纖耦合器另一側(cè)的c端口 ；所述光開關(guān)的輸入端連接至光纖耦合器的d端口，其輸出端連接有光纖探頭。
[0011]所述寬帶光源工作在近紅外波段，為脈沖光源或連續(xù)光源，其中心波長(zhǎng)為λ。，帶寬為Λ λ，冰層的折射率為η，基于該光源可獲得的冰層厚度檢測(cè)下限為:
【權(quán)利要求】
1.一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置，其特征在于:包括有寬帶光源(I)、光譜分析儀(2)、光纖率禹合器(3)、鍍膜光纖(4)、光纖偏振控制器(5)、光開關(guān)(6)以及光纖探頭,其中,所述寬帶光源(I)和光譜分析儀(2)分別通過光纖連接至光纖耦合器(3)同一側(cè)的a、b兩個(gè)端口 ；所述鍍膜光纖(4)安裝在光纖偏振控制器(5)上，并連接至光纖耦合器(3)另一側(cè)的c端口 ；所述光開關(guān)出)的輸入端連接至光纖耦合器(3)的d端口，其輸出端連接有光纖探頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置，其特征在于:所述寬帶光源(I)工作在近紅外波段，為脈沖光源或連續(xù)光源，其中心波長(zhǎng)為λ。，帶寬為Λ λ，冰層的折射率為η，基于該光源可獲得的冰層厚度檢測(cè)下限為所述光譜分析儀(2)能夠探測(cè)到寬帶光源(I)所覆蓋的工作波段，其光譜分辨率為S λ，可獲得的冰層厚度檢測(cè)上限為:= λ;:?4ηδλ ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置，其特征在于:所述光纖耦合器(3)為邁克爾遜結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置，其特征在于:所述鍍膜光纖(4)的輸出端面鍍高反射膜，將該光纖中傳輸?shù)墓馐瓷浠毓饫w耦合器(3)，并通過電動(dòng)控制光纖偏振控制器(5)的旋轉(zhuǎn)來控制光束的偏振態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置，其特征在于:所述光開關(guān)(6)為I XN結(jié)構(gòu)，N為自然數(shù)，用于將探測(cè)光束切換至指定的光纖探頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置，其特征在于:所述光纖探頭有多個(gè)，分布式安裝到需探測(cè)結(jié)冰的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種超高精度結(jié)冰探測(cè)裝置，其特征在于:所述光纖探頭包括有準(zhǔn)直透鏡(11)和聚焦透鏡(12)，其中，所述準(zhǔn)直透鏡(11)和聚焦透鏡(12)同軸安裝在圓形套筒(10)中，所述聚焦透鏡(12)的焦平面位于圓形套筒(10)的端面之外，兩者之間的距離與可測(cè)量的最大冰層厚度相當(dāng)，所述圓形套筒(10)通過螺紋旋入底座(13)，所述底座(13)固定于被測(cè)物體表面。
【文檔編號(hào)】G01B11/06GK203798316SQ201420209074
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】曹祥東, 張鳳杰, 李德榮, 崔索超, 鄧建 申請(qǐng)人:廣州飛拓優(yōu)視光電科技有限公司, 武漢虹拓新技術(shù)有限責(zé)任公司