聚合物光纖結冰傳感器設計與路面冰層厚度檢測方法

謝清忠，王玲，葛敬勇，石寧，張久鵬

（1.中交第四公路工程局有限公司，北京市 100022；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.河南省城鄉規劃設計研究總院股份有限公司，河南 鄭州 450000；4.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引言

在冰雪天氣下，路面摩擦系數會嚴重降低，由此易引發交通事故。英國研究人員通過分析交通事故起因，發現道路結冰條件下交通事故的傷亡率將增加25%［1］。瑞典國家道路交通研究所研究了不同路面條件下交通事故率，其中冬季路面結冰條件下事故發生率高達0.53［2］；美國研究者認為冰雪天氣下每百萬公里的事故發生數為5.9 起，但同一區域在正常天氣條件下每百萬公里的交通事故發生數僅為0.4起，將近15 倍的差距［3］。綜上所述，雖然在不同的國家和地區路面結冰導致交通事故的發生頻率存在差異，但是由此引發的交通安全問題已經非常嚴峻。因此，通過研究路面結冰監測方法，檢測結冰程度，及時反饋路面災害信息，對預防交通事故的發生，降低財產損失，促進經濟的發展和社會的穩定具有非常深遠的意義。

路面結冰檢測是利用各種結冰傳感器在結冰前后產生的一系列物理變化，實時地判斷冰的存在與否以及冰層厚度等信息。目前，結冰傳感器主要應用于飛機機翼結冰檢測［4］、機場路面結冰檢測［5］、河 道 結 冰 監 測［6］以 及 海 冰 監 測［7］等 應 用 領域。光纖式結冰傳感器由于其體積小、重量輕、抗電磁干擾、可遠距離傳輸以及可識別冰型等特點，深受研究者青睞［8-12］。光纖式結冰傳感器是在20世紀70 年代發展起來的，研究較早的國家有美國、日本、英國、德國等。2003 年，英國研究人員首次成功研制出光纖式結冰傳感器，其探測頭直徑為25 mm，最 小 檢 測 冰 厚 為0.1 mm。2004 年，Ikiades 等［13］在冰風洞中做了一些初步的試驗，用光纖作為傳感器研究冰生長時的光學特性，取得了一些研究成果。雖然有許多專利利用全反射技術檢測冰的厚度，但忽略了結冰冰型的影響，這些技術只適用于明冰的檢測；Ikiades 等［14-15］于2007 年對光在冰層的擴散做了相關試驗，通過分析不同類型冰中光分布的特點，識別出不同的冰型，獲得了第一手資料。之后，通過測量光強以及背向散射、反射光的偏振特性，實時地識別冰型、測量冰厚；李薇等［16］研究同軸式光纖結冰傳感器在不同的結冰類型下均有較好的輸出特性，冰厚的測量范圍為0.2～3 mm。但從試驗結果得知，其冰型研究不充分，檢測范圍較??；2013年，鄒建紅［17］分別對3 種不同結冰傳感器探頭模式上的冰層內部光路進行分析及推導結冰特性曲線，并通過試驗證明傳感器的有效重復性，提高了傳感器的檢測范圍，取得了很大的進步；2014 年，但漢成等［18］采用同軸式光纖傳感器進行路面結冰條件探測，通過建立結冰時間與路面溫度、降雨溫度之間的關系，探究瀝青路面的結冰機理；2015 年，譚舒亞［19］修改了傳統光纖傳感器的設計，實現了對厚冰的測量，高達10 mm；2016 年，李薇等［16］將憶阻器與光纖傳感器相結合，有效地消除光路擾動，同時擴大結冰厚度測量范圍，高達38 mm。但由于道路結冰影響因子過多，需模擬的真實道路狀況十分復雜，光纖式結冰傳感器在道路上的應用與研究較少。

針對上述情況，本文旨在研發適用于道路上的光纖式結冰傳感器，用于實時檢測瀝青道路表面結冰狀況。通過控制瀝青路面積水、降雨以及融雪3 種條件下的結冰主要影響因子，進行室內試驗，研究瀝青路面結冰冰型；通過光纖性能指標對比分析、光纖傳感器探頭分布模式研究及檢測電路優化設計，遴選出合適的光纖、探頭分布模式及電路布置，最終完成光纖式結冰傳感器的設計；考慮溫度和光強因素對路面結冰厚度檢測結果的影響，通過一系列相關試驗確定電壓-結冰冰厚特性曲線，并進行室外驗證試驗。本文研發的光纖式結冰傳感器可為道路養護和管理部門以及出行者提供實時的路面安全信息，降低交通事故的發生。

1 室內模擬道路結冰過程

自然狀態下，復雜的氣候環境形成不同的結冰冰型，而結冰冰型的不同將直接影響結冰傳感器的檢測結果，由此會帶來難以克服的系統誤差。本文結合不同的結冰影響因子，通過室內試驗模擬瀝青路面積水、降雨以及融雪3 種結冰條件下的結冰冰型，進而確定光纖式結冰檢測傳感器探頭模式的設計。

理論研究表明：溫度是影響冰型的關鍵因素。本文基于高低溫試驗箱（-40～150 ℃）將試驗溫度控制為-11 ℃，并用游標卡尺對路面積水和融雪積水厚度進行標定，使得結冰厚度為10 mm；在模擬降雨結冰時調節噴霧系統，采用噴2 s 停1 min 的循環法使結冰充分，同樣使結冰厚度為10 mm。試驗中以切割的車轍板作為模擬瀝青路面，分別搭建3 種瀝青路面結冰條件試驗平臺，如圖1 所示。

圖1 瀝青路面結冰條件試驗平臺

為更加清晰地進行結冰冰型比較，采用1280×960 高分辨率數碼顯微鏡，采用USB 連接電腦，使用自帶的APP 進行俯視拍照，可得到不同冰型的內部結構，如圖2 所示。

圖2 相同溫度和結冰厚度條件下3 種結冰冰型

通過對瀝青路面3 種結冰條件下的結冰冰型進行模擬試驗發現：結冰溫度和厚度相同時，瀝青路面積水結冰和降雨結冰兩種冰層均呈現乳白色、不透明的狀態，并且冰層內部充滿氣泡和裂紋，融雪積水結冰的冰型無明顯變化，只是透明度略低。所以，在本文的試驗條件下，3 種結冰條件下的結冰冰型無明顯變化，屬于同一種冰型。

2 光纖式結冰傳感器的設計

2.1 光纖的選擇

根據纖芯材料的不同，光纖主要分為石英光纖（SOF）和聚合物光纖（POF）兩大類。目前，研究人員研制的光纖式結冰傳感器，大部分使用的是SOF［20］，主要應用于飛機表面結冰檢測。聚合物光纖（POF）和石英光纖（SOF）的性能指標［21］如表1 所示。

表1 POF 和SOF 性能指標

通過表1 的參數對比可以發現：POF 的芯徑、數值孔徑以及受光角都大于SOF，能夠接收更多的反射光，可以提高光纖式結冰傳感器的精確度、靈敏度以及測量范圍。POF 的彈性模量只有3.2 GPa，與瀝青混凝土相當，埋設在道路內部可以更好地與道路材料相容，有效避免應力集中現象；POF 的柔韌性與SOF 相比更好，在車載作用下，POF 能更好地適應瀝青路面的變形；而且POF 的成本更低，光纖與光纖之間的連接更簡單方便，所以POF 的性價比更優。本文選擇江蘇某公司生產的PMMA 芯POF設計光纖式結冰檢測傳感器，具體參數如表2 所示。

表2 PMMA 芯POF 參 數

2.2 傳感器探頭分布模式設計

目前，光纖傳感器探頭分布模式主要分為小圓頭式、同軸式、扇形式、楔形式、雙斜端面式以及復合端面式等多種形式。由于室內試驗模擬的瀝青路面在積水、降雨與融雪3 種條件下的結冰冰型屬于同一種冰型，且道路結冰預警需要提供實時的信息，結合同軸式傳感器探頭分布模式靈敏度高的特點，本文選擇同軸式傳感器探頭分布模式進行結冰檢測傳感器設計。

同軸式光纖傳感器探頭分布模式如圖3 所示。區域1 是由一根根光纖組成的發射光纖束，區域2 和3 代表接收光纖束。光源發射的光通過發射光纖束傳輸至傳感器與路面齊平的端面，若路面無結冰，發射光直接射入空氣，接收光纖束不能接收到任何信號；若路面出現結冰，入射光在冰層內部會發生一系列反射、散射、吸收以及透射作用。并且冰層較薄時，反射光較強，散射光較弱；隨著冰層厚度的增加，總光強達到一個峰值；冰層厚度繼續增加，反射光減弱，散射光增強，整體光強減小。

圖3 同軸式光纖傳感器探頭分布模式

2.3 弱信號檢測

根據朗伯-比耳定律，光經過冰層時，會發生反射、折射、透射以及散射一系列物理現象，接收光纖接收到的余下的反射光以及散射光強度比較微弱［22］。因此為了將有用光信號從強噪聲中提取出來，結冰厚度檢測只能采用弱信號檢測技術。

弱信號檢測常用的方法有：窄帶濾波法、同步累積法、相關檢測法以及鎖定放大法［23］。在鎖定放大檢測法中，鎖定放大器由同步積分器和相關器級聯構成。同步積分器輸入交流，輸出同頻、經濾波的方波信號，并傳輸至相關器，然后輸出直流信號。鎖定放大法能大幅度抑制無用噪聲，改善信噪比，具有很高的檢測靈敏度，因此本文的弱信號檢測方法選用鎖定檢測法。弱信號檢測電路結構設計如圖4所示。

圖4 弱信號檢測電路結構設計示意圖

為了避開低頻干擾、直流漂移以及可見光的干擾，方波信號發生器發射1 kHz 的方波信號，通過驅動電路，驅動紅外發光二極管，發出紅光；經過冰層的調制，光電檢測器將檢測到的微弱光信號轉換成微弱的電流；前置放大器能夠將微弱的電流放大，并轉換成電壓，一定程度上能提高信噪比；為了防止鎖定放大器飽和，需用到帶通濾波器；背景光和外界噪聲等誤差信號通常是緩變的隨機信號或者是近似直流信號，可以通過調制光源來消除干擾［24］。而實際有用的信號為方波信號發生器發射的1 kHz 的方波信號，誤差信號是近似直流或隨機的。在后續電路中連接鎖定放大器，此時的參考頻率與光源調制頻率相同，通過這種方法即可濾去上述誤差信號，將有用的信號解調出來。同步積分器和相關檢測器構成鎖定放大器，能大幅度抑制無用噪聲，改善信噪比，具有很高的檢測靈敏度，是檢測電路的關鍵所在；最后將轉換成的電壓顯示出來，從而繪制出電壓和冰厚特性曲線。本文所繪系統電路圖如圖5 所示。

圖5 系統電路圖

由于設計光纖式結冰檢測傳感器時采用PMMA芯POF 作為傳輸介質，PMMA 芯POF 在光波長為650 nm 時損耗最低，所以傳感器光源選用紅外發光二極管，其發射的紅光波長為650 nm，檢測設備硬件實物如圖6 所示。

圖6 硬件電路實物

設計的聚合物光纖傳感器如圖7 所示，且傳感器在道路之中的埋設采用微管法，首先將傳感器插入金屬管內部，然后固定金屬管，待瀝青路面碾壓成型后，抽出金屬管，并用環氧樹脂填充孔隙，防止水分滲入。傳感器埋設的位置應當避免車輛碾壓，推薦將其埋設在路緣帶內部。

圖7 聚合物光纖傳感器

3 瀝青路面結冰試驗結果與討論

3.1 溫度對瀝青路面結冰厚度檢測結果的影響分析

PMMA 聚合物光纖屬于熱塑性材料，其熱膨脹系數為8.3×10-5/℃［25］，隨著溫度的降低，光纖發生收縮，會發生橫向、豎向變形，導致光纖內部的光通量減小，因此無論是發射光纖發射的光，還是接收光纖接收到的光信號都將減小，從而影響檢測精度，甚至導致檢測結果產生誤差。

依據全反射原理，光被束縛在光纖中傳輸，而不會發生外泄。PMMA 聚合物光纖的熱光系數為-8.5×10-5/℃，表明其折射率會隨著溫度的改變而改變［26］。因此在溫度發生變化時，光纖中傳輸的光因不滿足全反射條件而發生泄漏現象，使光通量發生改變，影響檢測結果。根據熱光效應，溫度的改變會引起聚合物光纖折射率的變化，其計算如下：

式中：T0=20 ℃；n1為聚合物光纖纖芯的折射率；n2為聚合物光纖包層的折射率；k1、k2為纖芯與包層的熱光系數。

由上述理論分析得知：隨著溫度的降低，光纖式結冰檢測傳感器的檢測結果將偏小。因此本文通過控制結冰厚度、升高溫度，分析溫度對結冰檢測結果的影響，結果如圖8 所示。

圖8 相同結冰厚度、不同溫度下傳感器輸出電壓

由圖8 可知：結冰厚度相同時，隨著溫度的降低，各曲線呈現稍微下降的趨勢，但這種變化并不明顯。為更加直觀呈現微小變化，本文將結冰厚度為0、1 mm、3 mm、7 mm、14 mm、21 mm 和28 mm 時溫度對輸出結果的累積影響繪成圖9。

圖9 溫度對結冰檢測結果的影響

由圖9 可知：隨著溫度的升高，多組結冰厚度下的累積檢測電壓基本保持不變，因此試驗結果表明溫度對光纖式結冰傳感器的檢測結果影響較小，可忽略不計。

3.2 模擬光照條件下光強對瀝青路面結冰厚度檢測結果的影響分析

由于PMMA 芯POF 在650 nm 波長時損耗最低，所以發光元件選用的是紅光發光二極管，其發出的是650 nm 的紅光。因為可見光的范圍為390～780 nm，所以傳感器在實際工作過程中必然受到外界650 nm 可見光的干擾，影響檢測結果，因此，后續結冰厚度檢測需要在無光與可見光條件下進行。

一天之中，不同時刻的太陽光強度不相同，本文選擇使用可見光分光光度計，在冬季（11 月、12 月、1月）每月的上旬、中旬以及下旬中分別選擇具有代表性的兩天，檢測太陽光中可見光的強度。冬季晴天和陰天太陽光中可見光的平均強度檢測結果如表3所示。

表3 冬季不同時段太陽光中可見光平均強度

由表3 可以得出：冬季不同時段太陽光中可見光光強為45～453 W/m2。若在夜間，即無光條件下，太陽光光強為0。所以確定外界可見光的影響范圍為0～453 W/m2。通過保持冰厚不變，增大光強，當增幅為0～240 W/m2時，電壓增量的極限值為0.15 V，所以本文把結冰檢測光強分為0、0～240 W/m2以及240～480 W/m2共3 種試驗條件。

考慮到路表污染物對檢測結果的影響，本文在試驗中向水中添加適量的泥砂，配制濃度為15%～30% 的泥水混合液來模擬瀝青道路結冰真實狀況。采用滑動變阻器控制燈泡的亮度，模擬可見光光強的變化。當可見光的光強分別位于0～240 W/m2、240～480 W/m2時，冰厚的檢測結果變化均在1 mm之內，所以可見光對冰厚檢測結果的影響，可分為上述兩個范圍進行試驗。最終3 種試驗條件下的結冰厚度與電壓關系曲線如圖10 所示。

圖10 3 種可見光條件下瀝青路面結冰特性曲線

由圖10 可知：3 種試驗條件下的初始電壓均不為0，因為在傳感器探測端頭，發射光纖和接收光纖是用塑料包層包裹起來的裸纖，必然會發生光耦合現象，所以即使瀝青路面沒有積水，接收光纖也會接收到光信號。在一定范圍內，電壓隨結冰厚度的增加而增加，這是因為冰層越厚，冰層內部的折射光通道越寬，返回到探測器的光強度就越大；結冰厚度達到9 mm 時，電壓達到峰值，繼續增加結冰厚度，接收到的總光強減弱，結冰特性曲線呈先下降最后趨于平直的狀態，這是因為冰層厚度繼續增加，冰層內部的吸收、散射等現象越明顯，返回到探測器的光強度越小。另外，曲線前坡的斜率大于后坡的斜率；通過比較相同結冰厚度下電壓的大小，發現0～240 W/m2可見光條件下比無光條件下大0.15 V，即與無光條件下的結冰特性曲線相比，0～240 W/m2可見光條件下的結冰特性曲線沿Y軸向上移動0.15 個單位；240～480 W/m2可見光條件下比0～240 W/m2可見光條件下大0.15 V，即與0～240 W/m2可見光條件下的結冰特性曲線相比，240～480 W/m2可見光條件下的結冰特性曲線沿Y軸向上移動0.15 個單位。通過非線性擬合，得到無光條件下結冰特性曲線方程為：

y=0.32+0.48x-0.18x2+0.06x3-0.01x4（3）

則0～240 W/m2與240～480 W/m2可見光條件下的結冰特性曲線方程如下：

y=0.47+0.48x-0.18x2+0.06x3-0.01x4（4）

式中：y和x分別對應傳感器輸出電壓和冰厚。

3.3 模擬光照和自然光照下瀝青路面結冰對比試驗

由于本文設計的檢測設備需要在真實道路環境下進行檢測，為了驗證模擬光照條件下的電壓-冰厚特性曲線方程，需要進行自然光照條件下的驗證試驗，即分別在模擬光照和自然光照下進行光強為0、0～240 W/m2和240～480 W/m2的結冰特性對比試驗，結果如圖11 所示。

圖11 不同光強條件下模擬光照與自然光照結冰特性曲線對比

由圖11 可知：從具體數值看出，在某些點上，實測的電壓值有所不同，不過相差較小。圖中顯示出不同光強條件下的兩條曲線均具有較好的一致性。

通過以上3 種光強條件下模擬光照與自然光照的對比試驗，發現在正常光照范圍內傳感器室內外對同一冰厚的檢測結果具有較高的一致性，表明本文在試驗室內通過模擬試驗設計的聚合物光纖道路結冰傳感器能夠在室外自然環境中進行正常檢測，能夠滿足實際工程檢測需要。

4 結論

（1）從芯徑、數值孔徑、受光角、彈性模量、拉伸長度以及連接器成本等多項指標，全面分析比較聚合物光纖（POF）與石英光纖（GOF）。最終選擇檢測精度高、靈敏度高且檢測范圍大的PMMA 芯POF 為傳輸介質；然后選擇同軸式探頭分布模式封裝輸入和輸出光纖，并設計弱信號檢測電路，完成光纖式結冰檢測傳感器的整體設計。

（2）低溫會引起塑料光纖體積收縮，本文研究低溫對結冰厚度檢測結果的影響，發現在-15～0 ℃范圍內，溫度變化對檢測結果的影響較小，可忽略不計。

（3）自然界可見光會對瀝青路面結冰厚度檢測結果造成影響，本文使用可見光分光光度計測量冬季外界可見光，并確定其范圍。通過在試驗室進行模擬光照條件下的相關試驗，得到光強為0、0～240 W/m2以及240～480 W/m2時的結冰特性曲線。依據曲線得知當結冰厚度為0 時，輸出電壓均不為0；當結冰厚度增加時，輸出電壓先增加后減小最后趨于平直。

（4）通過自然光照條件下驗證性試驗，發現在正常光照范圍內傳感器室內外對同一冰厚的檢測結果具有較高的一致性，表明本文在試驗室內通過模擬試驗設計的聚合物光纖道路結冰傳感器能夠在室外自然環境中進行正常檢測，滿足實際工程檢測需要，最終確定不同光強下的傳感器輸出電壓-結冰厚度特性曲線方程。