基于连接式螺旋体结构的FBG冰层厚度传感器研究*

王 宽， 薛珍丽， 赵振刚， 李英娜， 谢 涛， 李 川

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

0 引 言

结冰是北方寒冷地区较常见的现象,冬季有绝大多数的河流、湖泊及海洋都会出现不同程度的冰情状况,尤其在冰消过程中，可能会发生冰流堵塞形成冰坝。这些状况会阻塞水流的流动，会造成水域上游的水位增高，这样会对堤坝的安全、水域的设施和沿岸人民的生命财产造成严重威胁[1～3]。因此,对冰层厚度及时、准确的监测和预报是预防灾难发生的重要信息。2009年，秦建敏等人基于冰的微导电性和水的弱导电性原理检测冰层厚度，是在棒形传感器上按一定刻度设置一对金属触点，检测串联电路中分压电阻器上的电压来判断测点位置[4]。2010年，刘珍等人根据空气、冰和水的电容特性差异，通过检测垂直放在水中的平行板电容器的电容值来推算出冰层的厚度[5]。2011年，陈哲等人采用空气、冰和水的电阻值和温度变点相结合的方法测量冰层厚度，通过放置在冰水中均匀排列的触点和温度传感器，推算出冰层厚度[6]。

本文利用冰水温度的差异，使用光纤Bragg光栅(FBG)作为传感单元检测温度来实现冰层厚度的监测。

1 传感器的工作原理

设计采用FBG作为测温传感单元，封装成连接式螺旋体结构的纵向测温阵线，实时获取冰生消过程中的温度变化，根据冰水的温度变点推算出冰层厚度。

FBG温度传感原理是由于外界温度的变化引起FBG波长的移位。光纤的热膨胀效应、热光效应和弹光效应这3种效应会影响FBG的有效折射率neff和光栅平面的周期间隔，引起波长的移位。

FBG反射光λB的峰值波长满足光栅方程

λB=2neffΛ,

(1)

式中Λ为Bragg光栅的周期,μm;neff为光纤的有效折射率;λB为FBG的中心波长值,nm。

当温度变化时，会引起光栅波长的漂移，其相对Bragg波长移位为

(2)

式中 Δa为由热膨胀引起的光纤直径变化；αn=(1/neff)∂neff/∂T为热光系数；(Δneff)ep为由热膨胀引起的弹光效应；∂neff/∂α为由热膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导效应；αΛ=(1/Λ)∂Λ/∂T为光纤的线性热膨胀系数[7～9]。FBG的中心波长移位量与光纤的热光系数和热膨胀系数有关，随着温度发生变化，FBG温度传感器FBG波长的漂移量与温度的变化量呈现出一种线性关系。

由于水面结冰是从四周向中间，从上向下，所以，冰与空气界面的传感器编号在安装后就可以确定，根据冰与水的温度变点的机理，通过检测冰水的纵向温度分布判别冰与水的分界面处传感器的位置。水的温度大于0 ℃，而冰层内部温度小于0 ℃的，通过纵向等距离分布的FBG判断冰水的分界面处传感器的位置，根据测量装置的几何结构计算得到冰层的厚度。为了解决光纤短距离熔接困难的问题，设计了螺旋体结构。使用连接式结构封装，可以根据监测的需要改变监测点的数量和通过调整U型管与直通管之间的角度改变各个测量点的距离调整测量范围及提高检测精度，传感器结构图参见图1。

图1 连接式螺旋体FBG温度传感器结构图

将FBG封装在螺旋体的每层的直通管中，自上而下编号1～N，FBG的中心波长由于受到被测物的温度变化而产生变化，根据温度变化和解调到的FBG的波长偏移量之间的数学关系得到被测点的温度。从而置于被测水域可以实时监测被测水域的冰水温度情况，由于冰水之间的变点温度0 ℃，根据第一个监测到0 ℃监测点的传感器编号N和检测到冰层表面温度的传感器标号M，得到冰层厚度D=(N-M)d。

连接式螺旋体FBG冰层厚度传感器主体结构包括FBG、直通管和U型管。FBG的粘贴是采用具有较强抗腐蚀性、强度适中、耐温防水的环氧树脂调和固化剂调和后作为粘贴剂，将FBG粘贴在直通管，见图2，然后与带有螺纹弧度半径为30 mm的U型管连接,传感器见图3。

图2 封装在直通管中的FBG温度传感器实物图

图3 传感器实物图

2 测试与实验结果分析

根据监测的需要，实验采用中心波长分别为1 559.572，1 553.209,1 547.039,1 541.113,1 537.99,1 531.548,1 524.224 nm的FBG。纵向深度选择的是每个测点之间的距离为40 mm，在冰未生成之前将测温装置放置在试验场中，各个测点的距离调整为40 mm，并且保证在水面上方空气中有2个测点，在本实验过程中采用的是水面之上大气中1个测点，水中测点数大于等于1个，由于实验条件的限制,本实验采用冰箱中的冰放在水箱中冰消的过程中的温度分布，冰消过程中不同厚度检测数据参见表1～表5。测试实验的环境温度为13℃。

表1 冰层厚度为185 mm时冰消过程中测量数据表

表2 冰层厚度为165时冰消过程中测量数据表

表3 冰层厚度为108mm时冰消过程中测量数据表

表5 冰层厚度为42mm时冰消过程中测量数据表

实验得到的冰层厚度值的测量误差大小主要由各个测点之间的距离d大小决定，并且误差为[0,d/2]，所以，可以根据被测对象和精度要求改变U型管和直通管之间的角度来改变测点之间的距离，从而减小改装置的测量误差。实验结果如图4所示。

图4 实验结果

通过对不同厚度的冰在冰消过程中的厚度检测，结果表明：最大误差为12 mm，小于各测点间距40 mm的50 %。

3 结 论

本文设计了一种连接式螺旋体结构冰层厚度传感器。该传感器采用FBG温度传感器纵向测量冰层与水的温度差异确定冰水的分界面，根据测量装置的几何结构得到了冰层厚度。采用导热系数比较好的毛细紫铜管作为螺旋体结构材料。由于FBG作为传感元件，具备电绝缘、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点，适用于环境恶劣的水域的冰层监测。实验结果表明：传感器的灵敏度最大为10 pm/℃，最小为9.9 pm/℃；非线性度误差最大为1.34 %FS，最小为0.68 %FS；重复性误差最大为2.75 %FS，最小为1.70 %FS。在此项检测中得到了较为准确的冰层厚度，检测到的冰层厚度和钢尺检测到的厚度基本一致，测量误差大小主要有测点之间的距离大小来决定，小于各测点之间的半间距。测点间距可以根据需要，调节U型管所在斜面和直通管所在平面角度改变。

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