[发明专利]一种基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰系统

说明书

一种基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统，涉及一种结冰监测与融冰一体化系统。目的是解决现有测冰融冰技术不能实时同步监测结冰和融冰的过程、现有测冰融冰装置使用受到环境限制和检测结果准确性低的问题。该系统，由测冰融冰复合膜、光纤光栅传感解调仪、复合膜输入电源和计算机构成；该系统由测冰融冰复合膜、光纤光栅传感解调仪、复合膜输入电源和计算机构成；测冰融冰复合膜由光纤布拉格光栅传感带、石墨烯薄膜、上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜和塑料套管构成；光纤布拉格光栅传感带由数个光纤布拉格光栅传感器串接构成。该系统能够实时同步监测结冰和融冰的过程，布置灵活，准确性高，效率高。

技术领域

本发明涉及一种结冰监测与融冰一体化系统。

背景技术

石墨烯是由碳原子组成的二维碳材料，抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa，杨氏模量约为42N/m²，电子迁移率可达到2×10⁵cm²/V·s，约为硅材料电子迁移率的140倍，砷化镓的20倍，温度稳定性高，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只有约10^-6Ω·cm，比铜或银更低。石墨烯具有独特的二维纳米结构，较大厚径比和较高的比表面积使得石墨烯片层之间形成均匀的连通导电网络，在施加较低电压下可产生较高热量。研究测试得到的单层悬空石墨烯的导热系数高达5800W/mK，是目前报道的传热最好的晶体材料。光纤传感器是伴随通信技术逐渐发展起来的。与传统传感器相比，光纤传感器具有很高的灵敏度；频带宽，动态范围大；结构简单，轻质，体积小，耗能少；不受电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘性能好，防爆；便于与各类光纤传输系统相连，易于实现系统的控制和测量；适用于各种高温、高压、腐蚀等恶劣环境。

目前，国内外采用的测冰技术主要通过测量质量、反射特性、电热传导、介电常数和电感等物理量的变化，或者通过天气气象变化和数值模拟的方式进行。测冰技术中测冰的手段有多种，常用冰收集器法、功率曲线法、多风速测定法、视频监控法和振动噪声测定法等。现有测冰技术存在着一些不足，冰收集器法通常将冰收集器安装在某一固定位置如风力发电机叶片根部，因此只能监测到局部的结冰状况；功率曲线法由于结冰以外的其它因素如设备损坏和故障等容易导致实际的功率曲线和计算得到的曲线之间的差异；多风速测定法在无风的情况下无法给出结冰信息；视频监控法短期内可提供准确信息，但是寒冷冬季缺乏照明系统，缺少光照会给图像信息分辨率带来影响；振动噪声测定法的弊端是不适合静止条件下的积冰探测。

现有融冰技术存也在着一些不足，现有融冰技术包括机械除冰、热力除冰或涂层除冰等。机械除冰需要大型机械和人力投入；热力除冰常采用布置热电阻的方式，但热电阻无法使除冰结构表面均匀受热，在电阻布置处温度较高，而相邻电阻之间温度则较低；涂层除冰不能阻止积冰在涂层表面的产生。并且多数的测冰技术和融冰技术是分开的，两种技术不能够同步实施；

发明内容

本发明为了解决现有测冰融冰装置不能实时同步监测及实施结冰和融冰过程、现有测冰融冰装置使用受到环境限制和检测结果准确性低的问题，提出一种基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统。

一种基于光纤光栅和石墨烯薄膜的结冰监测与融冰一体化系统由测冰融冰复合膜、光纤光栅传感解调仪、复合膜输入电源和计算机构成；

所述测冰融冰复合膜由数条光纤布拉格光栅传感带、石墨烯薄膜、上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜和数条塑料套管构成；

所述上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜设置于石墨烯薄膜上表面，下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜设置于石墨烯薄膜下表面，石墨烯薄膜通过上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜和下层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜热封；数条塑料套管并列设置在上层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜上表面并通过环氧树脂粘接；光纤布拉格光栅传感带穿设在塑料套管内部；