本发明涉及极地或者低温环境监测领域,尤其涉及一种南北极极地光学测量防冰冻探头。
背景技术：
地球南北极对全球气候以及生态环境具有重大的影响，因此需要研究极地地区或者冰冻环境区域的能量收支、以及太阳光的分布情况。由于南北极地区低温环境恶劣，冰雪的产生，将会导致光学测量窗口的冻结，附着于探头上的冰，影响着光学测量的精度，严重时甚至会导致探头测量的失败。特别对于设置探头垂直向下用于测量上行辐射通量的情况，由于冰雪在探头上融化再凝结过程中，受到重力的影响，将会在探头窗口处形成“冰溜子”，对于这种情况就更需要解决探头冰冻的问题。目前，国际上还没有专门用于极地冰冻环境下长期专门用于光通量测量的探头，对于由于重力原因使得冰雪将探头冻结并且遮挡的问题，暂时还没有一个完美的解决方案。
技术实现要素：
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种南北极极地光学测量防冰冻探头。本发明是通过以下技术方案来实现的：一种用于南北极极地光学测量防冰冻探头，用于收集极地光通量，包括探头本体、余弦集光器、加热丝、温度传感器、第一干燥层、导热缓冲层和光纤；所述探头本体的前端设置有所述余弦集光器、以及将所述余弦集光器与探头本体前端相固定的前盖，所述探头本体的后端设置有固定件、以及将所述固定件与探头本体后端相固定的后盖；所述余弦集光器的前部呈半球面结构，其后部开设有凹槽，所述第一干燥层覆盖在凹槽的底面且在中央位置预留有缺口，所述导热缓冲层环绕设置在凹槽的四周壁面上；所述光纤包括光纤管、设置在光纤管内部的光纤线和设置在光纤一端端部并与光纤线相接的光纤接头，所述光纤管自所述探头本体后端的固定件伸入探头本体内并使光纤接头抵触在所述第一干燥层上，所述光纤接头的端头设有用于穿过所述缺口后抵触在余弦集光器上的凸起部，所述光纤管的另一端连接有与光纤线相连且用于收集所述极地光通量的信息采集装置；所述加热丝夹持在所述光纤接头与导热缓冲层之间，所述温度传感器设置在所述探头本体内部，所述温度传感器连接有温度开关、以及用于接收温度信息并控制温度开关实现断开或接通的控制中心，所述温度开关与所述加热丝相接。余弦集光器的前部呈半球面结构，可将辐射光转换为漫反射光，从而采集到多角度的光；温度传感器用于感受探头本体内部的温度，并将实时温度输出至控制中心，控制中心通过控制温度开关的通断实现对加热丝的加热；所述加热丝受热产生热量能融化探头表面及余弦集光器表面所形成的结冰层；第一干燥层是用来对余弦集光器与探头本体内部过渡区域进行干燥并吸收水分，除去余弦集光器后部的水雾；光纤接头的凸起部用于接收所述极地光通量。所述余弦集光器设置有第一环形凸起，所述第一环形凸起的前侧面环绕设置有第一密封圈，第一密封圈夹持在所述前盖与余弦集光器之间，所述第一环形凸起的后侧面环绕设置有第一O型密封圈，所述第一O型密封圈夹持在所述前盖、余弦集光器与探头本体前端之间。第一密封圈与第一O型密封圈是用来密封余弦集光器及探头本体，使得探头达到水密作用。所述固定件设有第二环形凸起，所述第二环形凸起的后侧面环绕设置有第二密封圈，第二密封圈夹持在所述后盖与固定件之间，所述第二环形凸起的前侧面环绕设置有第二O型密封圈，所述第二O型密封圈夹持在所述后盖、余弦集光器与探头本体后端之间。第一密封圈与第一O型密封圈是用来密封固定件及探头本体，使得探头达到水密作用。所述光纤管的外周套设有密封软管，所述密封软管的前端卡紧在所述固定件上。所述余弦集光器为采用具有防水耐压、漫透射特性材料四氟乙烯制成的余弦集光器。四氟乙烯材质制成的余弦集光器，既可防水耐压，又可获得更大角度的光，从而利用收集光通量。所述探头本体、前盖、后盖以及密封软管的外周镀有黑色保护层。黑色保护层可有效减小仪器对光场的影响。所述探头本体内部还设有第二干燥层。第二干燥层是用来对探头本体内部进行干燥并吸收水分，除去探头本体内部的水雾。本发明的优点是：本发明通过全自动的控制方法对探头进行加热处理以保证工作的顺利进行，通过温度传感器的监控，既可实现探头的防冰冻，又可以保证探头内部过热而破坏探头内部设备，以及保证野外能量不至于过多地消耗；采用余弦集光窗口，探头能保证一个半球面的辐射能量被探头所接收；在加热装置及干燥装置的辅助下，探头可以在极端条件下连续不断的工作；探头及光纤保护管均镀成黑色，有效减小仪器对光场的影响。附图说明图1为本发明实施例的结构示意图。图中附图标记含义：1、探头本体；2、余弦集光器；3、加热丝；4、温度传感器；5、第一干燥层；6、导热缓冲层；7、前盖；8、后盖；9、固定件；10、第二干燥层；11、光纤管；12、光纤接头；13、第一环形凸起；14、第一密封圈；15、第一O型密封圈；16、第二环形凸起；17、第二密封圈；18、第二O型密封圈；19、密封软管；20、信息采集装置；21、缺口。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。实施例参阅图1，为一种用于南北极极地光学测量防冰冻探头，用于收集极地光通量，包括探头本体1、余弦集光器2、加热丝3、温度传感器4、第一干燥层5、导热缓冲层6和光纤；探头本体1的前端设置有余弦集光器2、以及将余弦集光器2与探头本体1前端相固定的前盖7，探头本体1的后端设置有固定件9、以及将固定件9与探头本体1后端相固定的后盖8；余弦集光器2的前部呈半球面结构，其后部开设有凹槽，第一干燥层5覆盖在凹槽的底面且在中央位置预留有缺口21，导热缓冲层6环绕设置在凹槽的四周壁面上；光纤包括光纤管11、设置在光纤管11内部的光纤线和设置在光纤一端端部的光纤接头12，光纤管11自探头本体1后端的固定件9伸入探头本体1内并使光纤接头12抵触在第一干燥层5上，光纤接头12的端头设有用于穿过缺口21后抵触在余弦集光器2上的凸起部，光纤管11的另一端连接有与光纤线相连且用于收集极地光通量的信息采集装置20；加热丝3夹持在光纤接头12与导热缓冲层6之间，温度传感器4设置在探头本体1内部，温度传感器4连接有温度开关、以及用于接收温度信息并控制温度开关实现断开或接通的控制中心，温度开关与加热丝3相接。余弦集光器2的前部呈半球面结构，可将辐射光转换为漫反射光，从而采集到多角度的光；温度传感器4用于感受探头本体1内部的温度，并将实时温度输出至控制中心，控制中心通过控制温度开关的通断实现对加热丝3的加热；加热丝3受热产生热量能融化探头表面及余弦集光器2表面所形成的结冰层；探头工作过程中，由于内外温度差，将会导致探头内部形成水雾，从而影响着探头测量的精度，通过第一干燥层5对水分的吸收，除去因温度差形成的水雾，从而保证了探头的正常工作；光纤接头12的凸起部用于接收极地光通量。余弦集光器2设置有第一环形凸起13，第一环形凸起13的前侧面环绕设置有第一密封圈14，第一密封圈14夹持在前盖7与余弦集光器2之间，第一环形凸起13的后侧面环绕设置有第一O型密封圈15，第一O型密封圈15夹持在前盖7、余弦集光器2与探头本体1前端之间。第一密封圈14与第一O型密封圈15是用来密封余弦集光器2及探头本体1，使得探头达到水密作用。固定件9设有第二环形凸起16，第二环形凸起16的后侧面环绕设置有第二密封圈17，第二密封圈17夹持在后盖8与固定件9之间，第二环形凸起16的前侧面环绕设置有第二O型密封圈18，第二O型密封圈18夹持在后盖8、余弦集光器2与探头本体1后端之间。第一密封圈14与第一O型密封圈15是用来密封固定件9及探头本体1，使得探头达到水密作用。光纤管11的外周套设有密封软管19，密封软管19的前端卡紧在固定件9上。光纤管11置于密封软管19内，同时光纤管11在密封软管19的保护下，可以使探头装置深入一定的深度。余弦集光器2为采用具有防水耐压、漫透射特性材料四氟乙烯制成的余弦集光器2。四氟乙烯材质(Teflon)制成的余弦集光器2，既可防水耐压，又可获得更大角度的光，从而利用收集光通量。探头本体1、前盖7、后盖8以及密封软管19的外周镀有黑色保护层。黑色保护层可有效减小仪器对光场的影响。探头本体1内部还设有第二干燥层10。第二干燥层10是用来对探头本体1内部进行干燥并吸收水分，除去探头本体1内部的水雾。为了测量太阳辐射在南北极的收支状况，需要在冰雪上层测量太阳的下行辐射和冰雪面的上行反射。一般情况一下，需要设置一个辐射照度探头垂直向上，用于测量太阳的入射辐射；另外还需要设置一个辐射照度探头垂直向下，用于测量冰雪面的反射辐射。为了达到一个长时间序列测量的结果，测量过程是没有人工干预的，由于南北极的极端气候，长期测量过程中会导致探头窗口结冰。本设计在探头工作时，当内部温度低于所设置的阈值温度时，控制中心控制温度开关打开，加热丝3开始产生热量，从而融化探头表层所形成的结冰层，当结冰层与探头接触面开始融化，受到重力的影响，冰块开始脱落；当温度高于一定值时，控制中心控制温度开关断开，防止探头内部温度过高。所述问题传感器实现探头内部温度监控的作用。探头装置在极地环境下工作时，温度低于冰点温度，附着于探头表面的冰雪将会在余弦集光器2外表面形成结冰层，尤其当探头入射窗口垂直向下时，重力的作用将会导致结冰的体积越来越大，阻碍了光束进入余弦集光器2窗口，在控制中心调节下，电热丝开始产生热量，在导热缓冲层6传导的作用下，电热丝产生的热量均匀传递到余弦集光器2表面以及整个探头内部，当余弦集光器2的自身温度高于冰点温度时，窗口外面的冰层开始融化并掉落。加热处理一般是在探头测量时间段的前后，在探头休眠阶段，加热是按照一定的时间间隔进行的，这样既能保证防止结冰的影响，又可以节约能量。本发明通过全自动的控制方法对探头进行加热处理以保证工作的顺利进行，通过温度传感器4的监控，既可实现探头的防冰冻，又可以保证探头内部过热而破坏探头内部设备，以及保证野外能量不至于过多地消耗；采用余弦集光窗口，辐亮度探头能保证一个半球面的辐射能量被探头所接收；在加热装置及干燥装置的辅助下，探头可以在极端条件下连续不断的工作；探头及光纤保护管均镀成黑色，有效减小仪器对光场的影响。相对于马达控制刷子清洁探头表面冰冻体，本发明最大的特点是可以长期工作，即使在冰雪过后的低温环境结冰的过程中，包括马达和刷子都会因为结冰而无法转动，本发明的内部加热结合重力除冰可保证在极地环境下连续工作。上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。