专利名称：冰物理参数检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种冰物理参数检测装置。
在冰工程冰材料及冰芯等研究领域，经常需要测定诸如气泡及其体积浓度、冰密度、微粒尺寸、微细层、冰晶尺寸等冰物理参数。现有的测量方法中，为观测冰中包含的气泡和体积浓度，是把一定厚度的冰片试样放置在透光台上，肉眼判读，或拍照后在照片上人工读出气泡个数、量取气泡尺寸。冰密度测量时，一种是直接测量法，即用游标卡尺测得冰样体积V后称重G，用公式ρ=G/V得出冰密度ρ值，第二种方法称为流体静力学方法，即将冰样置于不同的液体中，通过重量差求得。观测微细层时，则把冰样置于透光台下，人工肉眼观测包括微粒、气泡、冰颜色、透光性等内容的层位分布，最后手工绘制冰芯特征示意图。测量微粒尺寸时，把冰样融化后用微粒计数器或光扫描器求得微粒尺寸的统计值。测量冰晶尺寸时，则把冰样经一定要求加工制成0.2～0.5mm薄片置于正交的偏光镜下(如Rigsby台)人工判读获得统计尺寸。采用人工观测方法，不仅工作效率低、而且重复性也差。
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种冰物理参数检测装置。
本实用新型的目的可通过以下措施实现一种冰物理参数检测装置，由横向安装在底板上的滑座组件，同轴安装在滑座组件两侧底板上的激光光源组件、光敏器件组件及信号处理装置组成，在底板上安装有位移传感器；滑座组件通过丝杆滑座安装在底板上，升降式冰样支座安装在滑板上，滑板由手轮或电机通过丝杆驱动，在滑座上滑动，在滑板上安装有位移检测板，与位移传感器检测头接触；激光光源组件由安装在左T型支架管座内的半导体激光器、准直物镜及通过透镜支架同轴安装在底板上的长聚焦透镜或通过光阑支座同轴安装在底板上的光阑组成；光敏器件组件由安装在右T型支架管座内的光敏器件组成；左、右支架管座可分别旋装起偏光镜及检偏光镜。
本实用新型是利用冰的光学性质，采用激光测试技术检测冰物理参数。冰晶体属于六角晶系，是一种单光轴的具有旋光性的透光晶体，当用激光束扫描冰样时，扫描光束遇到微粒发生散射和吸收现象，遇到气泡则发生反射现象，引起光强即光敏器件输出信号的变化；根据冰样中气泡尺寸分布选定冰样厚度，一般在4～6mm间，用矩形光束扫描检测毫米量级的微细层及气泡尺寸和浓度；根据冰样中微粒尺寸分布选度冰样厚度，一般在1～2mm之间，用点光束检测微粒；由于线偏振光在穿过不同冰晶体时，偏振方向会发生不同角度的旋转，根据冰晶发育和排列规律为避免重叠效应，选定冰样厚度，一般在0.1～0.4mm之间，用线偏振点光来扫描冰样，在光敏器件前加上一个检偏光镜，便能根据光敏器件输出信号的变化判定冰晶间界，求得扫描距离内的冰晶数。
本实用新型选用波长在0.78μm-1.5μm的半导体激光器作为激光源，以便于实现在自然光及野外实地检测的可能性。为补偿半导体激光器的发散，在半导体激光器前设置有准近物镜。本实用新型中所用半导体激光器可从现有定型产品中选定，为避免检测过程中冰样消融，其功率限定在0.4～30mw之间，光敏器件的选定应使其与选定的半导体激光器波长相匹配。
本实用新型中位移传感器及光敏器件的输出信号输入信号处理装置，经放大——同步采集数据及处理——置示成X轴表示位移置，Y轴表示光敏器件输出量的X-Y波形图；可采用X-Y记录器，磁带数据记录器、波形储存示波器，数采仪及配以A/D转换卡和数据处理软件的PC机实现波形显示的目的。
本实用新型可实现对冰样物理参数的连续、自动检测，效率高、数据重复性好；选定在近红外光谱区工作，可实现对冰样在条件现场条件下的检测。
本实用新型附图图面说明如下
图1是本实用新型冰物理参数检测装置实施例结构示意图①-激光光源组件②-滑座组件③-光敏器件组件图2是图1的俯视图图3是本实用新型实施例信号处理流程示意图图4是本实用新型扫描光束遇到气泡，微粒和不同冰晶时，光敏器件输出电压波形的变化特征。
以下结合附图所示实施例对本实用新型做进一步详述如图1、图2所示，一种冰物理参数检测仪，由横向安装在底板(8)上的滑座组件②，同轴安装在滑座组件②两侧底板(4)上的激光光源组件①、光敏器件组件③及信号处理装置组成，通过支座(23)在底板(8)上安装有位移传感器(22)；
滑座组件②通过丝杆滑座(15)安装在底板(8)上，升降式冰样支座(16)安装在滑板(13)上，冰样(17)由冰样支座(16)上螺旋夹板固定，通过丝杆机构实现上、下调整；滑板(13)由手轮(24)或电机(25)通过丝杆(14)驱动在滑座(15)上滑动，在滑板(13)上安装有位移检测板(12)与位移传感器(22)检测头接触。
激光光源组件①由安装在左T型支架管底(2)内的半导体激光器(1)、准直物镜(3)及通过透镜支架(5)同轴安装在底板上的长聚焦透镜(6)或通过光阑支座(9)同轴安装在底板(8)上的光阑(10)组成；长聚焦透镜(6)和光阑(10)分别用于产生点光束和矩形光束；长聚焦透镜(6)通过安装在透镜支架(5)上的丝杆机构(7)实现X轴向调整；光阑(10)通过安装有光阑支座(9)上的Y、Z轴向丝杆机构(11、21)实现Y、Z轴向调整；光敏器件组件(3)由安装在右T型支架管座(19)内的光敏器件(20)组成，本实施例中，选用光电二极管做光敏器件(20)考虑到感光面积，在光敏器件(20)前加装有聚焦透镜(24)；右、左T型支架管座(2、19)可分别旋装用于冰晶尺寸检测的起偏光镜(4)及检偏光镜(18)。
图3所示，位移输出信号经常规调制放大，输入CRAS V3.X系统的(随机信号与振动分析系统，南京汽轮机厂出品)A/D转换卡；光电二极管输出信号经常规I/V转换输、放大输入CRAS V3.X系统的A/D转换卡；即可在微机显示器上实现波形显示。
图4(a)是扫描光束遇到气泡时、光敏器件输出电压波形的变化特征，根据图示中梯形波起止点所对应的横坐标，可求出气泡直径R。气泡体积浓度n，可由以下公式求出n=N/WSL式中W-冰样厚度L-扫描距离S-扫描光束面积N-扫描距离L内遇到的气泡个数冰密度ρ可由以下公式求出ρ1=ρλ(1-1/6πR1n)式中ρλ=0.917g/cm3(纯冰密度)R-气泡直径n-气泡体积浓度根据方形波(图中未示出)起止点所对应的横坐标，可求出微细层尺寸。
图4(b)是扫描光束遇到微粒时光敏器件输出电压波形的变化特征，根据图示中向下脉冲波形的起止点所对应的横坐标，可求出微粒尺寸；图4(c)是扫描光束遇到不同冰晶时，光敏器件输出电压波形的变化特征，在扫描距离L内，根据波形变化判读了冰晶个数N，由于冰样的制作不可能实现所测晶体同时处于最大截面以及冰晶重叠和三维效应带来的误差，由以下公式计算冰晶平径线性直径DD=K(L/N)修正系数K=1.7权利要求1.一种冰物理参数检测装置，由横向安装在底板(8)上的滑座组件②、同轴安装在滑座组件②两侧底板(8)上的激光光源组件①、光敏器件组件③及信号处理装置组成，在底板(8)上安装有位移传感器(22)，其特征在于滑座组件②通过丝杆滑座(15)安装在底板(8)上，升降式冰样支座(16)安装在滑板(13)上，滑板(13)由手轮(25)或电机(26)通过丝杆(14)驱动在滑座(15)上滑动，在滑板(13)上安装的位移检测板(12)，与位移传感器(22)检测头接触；激光光源组件①由安装在左T型支架管座(2)内的半导体激光器(1)、准直物镜(3)及通过透镜支架(5)同轴安装在底板上的长聚焦透镜(6)或通过光阑支座(9)同轴安装在底板(8)上的光阑(10)组成；光敏器件组件③由安装在右T型支架管座(19)内的光敏器件(20)组成；在左、右T型支架管座(2、19)可分别旋装起偏光镜(4)及检偏光镜。
2.根据权利要求1所述的一种冰物理参数检测装置，其特征在于右T型支架管座(19)内，在光敏器件(20)前安装有聚焦透镜(24)。
3.根据权利要求1或2所述的冰物理参数检测装置，其特征在于透镜支架(5)上安装有X轴由向丝杆机构(7)，光阑支座(9)上安装有Y、Z轴向丝杆机构(11、21)。
4.根据权利要求1或2所述的冰物理参数检测装置，其特征在于半导体激光器(1)波长在0.78um～1.5um之间，功率在0.4～30mw之间。
专利摘要本实用新型涉及一冰参数参数检测装置,由滑座组件及同轴安装在滑座组件两侧的激光光源组件、光敏器件组件及信号处理装置组成;升降式冰样支座在滑座上滑动,与位移传感器检测头接触;激光光源组件由半导体激光器、准直物镜及长聚焦透镜或光阑组成;在激光光源组件及光敏器件组件前可旋装起偏光镜及检偏光镜;本实用新型利用扫描光束在冰样中遇到微粒、气泡及冰的旋光性引起的光强变化,检测冰样中的物理参数。
文档编号G01N21/00GK2322140SQ9722495
公开日1999年6月2日 申请日期1997年8月27日 优先权日1997年8月27日
发明者孙波, 姚檀栋, 谢自楚 申请人:中国科学院兰州冰川冻土研究所