專利名稱：冰物理參數(shù)檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種冰物理參數(shù)檢測裝置。
在冰工程冰材料及冰芯等研究領(lǐng)域，經(jīng)常需要測定諸如氣泡及其體積濃度、冰密度、微粒尺寸、微細(xì)層、冰晶尺寸等冰物理參數(shù)。現(xiàn)有的測量方法中，為觀測冰中包含的氣泡和體積濃度，是把一定厚度的冰片試樣放置在透光臺上，肉眼判讀，或拍照后在照片上人工讀出氣泡個(gè)數(shù)、量取氣泡尺寸。冰密度測量時(shí)，一種是直接測量法，即用游標(biāo)卡尺測得冰樣體積V后稱重G，用公式ρ=G/V得出冰密度ρ值，第二種方法稱為流體靜力學(xué)方法，即將冰樣置于不同的液體中，通過重量差求得。觀測微細(xì)層時(shí)，則把冰樣置于透光臺下，人工肉眼觀測包括微粒、氣泡、冰顏色、透光性等內(nèi)容的層位分布，最后手工繪制冰芯特征示意圖。測量微粒尺寸時(shí)，把冰樣融化后用微粒計(jì)數(shù)器或光掃描器求得微粒尺寸的統(tǒng)計(jì)值。測量冰晶尺寸時(shí)，則把冰樣經(jīng)一定要求加工制成0.2～0.5mm薄片置于正交的偏光鏡下(如Rigsby臺)人工判讀獲得統(tǒng)計(jì)尺寸。采用人工觀測方法，不僅工作效率低、而且重復(fù)性也差。
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種冰物理參數(shù)檢測裝置。
本實(shí)用新型的目的可通過以下措施實(shí)現(xiàn)一種冰物理參數(shù)檢測裝置，由橫向安裝在底板上的滑座組件，同軸安裝在滑座組件兩側(cè)底板上的激光光源組件、光敏器件組件及信號處理裝置組成，在底板上安裝有位移傳感器；滑座組件通過絲桿滑座安裝在底板上，升降式冰樣支座安裝在滑板上，滑板由手輪或電機(jī)通過絲桿驅(qū)動，在滑座上滑動，在滑板上安裝有位移檢測板，與位移傳感器檢測頭接觸；激光光源組件由安裝在左T型支架管座內(nèi)的半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直物鏡及通過透鏡支架同軸安裝在底板上的長聚焦透鏡或通過光闌支座同軸安裝在底板上的光闌組成；光敏器件組件由安裝在右T型支架管座內(nèi)的光敏器件組成；左、右支架管座可分別旋裝起偏光鏡及檢偏光鏡。
本實(shí)用新型是利用冰的光學(xué)性質(zhì)，采用激光測試技術(shù)檢測冰物理參數(shù)。冰晶體屬于六角晶系，是一種單光軸的具有旋光性的透光晶體，當(dāng)用激光束掃描冰樣時(shí)，掃描光束遇到微粒發(fā)生散射和吸收現(xiàn)象，遇到氣泡則發(fā)生反射現(xiàn)象，引起光強(qiáng)即光敏器件輸出信號的變化；根據(jù)冰樣中氣泡尺寸分布選定冰樣厚度，一般在4～6mm間，用矩形光束掃描檢測毫米量級的微細(xì)層及氣泡尺寸和濃度；根據(jù)冰樣中微粒尺寸分布選度冰樣厚度，一般在1～2mm之間，用點(diǎn)光束檢測微粒；由于線偏振光在穿過不同冰晶體時(shí)，偏振方向會發(fā)生不同角度的旋轉(zhuǎn)，根據(jù)冰晶發(fā)育和排列規(guī)律為避免重疊效應(yīng)，選定冰樣厚度，一般在0.1～0.4mm之間，用線偏振點(diǎn)光來掃描冰樣，在光敏器件前加上一個(gè)檢偏光鏡，便能根據(jù)光敏器件輸出信號的變化判定冰晶間界，求得掃描距離內(nèi)的冰晶數(shù)。
本實(shí)用新型選用波長在0.78μm-1.5μm的半導(dǎo)體激光器作為激光源，以便于實(shí)現(xiàn)在自然光及野外實(shí)地檢測的可能性。為補(bǔ)償半導(dǎo)體激光器的發(fā)散，在半導(dǎo)體激光器前設(shè)置有準(zhǔn)近物鏡。本實(shí)用新型中所用半導(dǎo)體激光器可從現(xiàn)有定型產(chǎn)品中選定，為避免檢測過程中冰樣消融，其功率限定在0.4～30mw之間，光敏器件的選定應(yīng)使其與選定的半導(dǎo)體激光器波長相匹配。
本實(shí)用新型中位移傳感器及光敏器件的輸出信號輸入信號處理裝置，經(jīng)放大——同步采集數(shù)據(jù)及處理——置示成X軸表示位移置，Y軸表示光敏器件輸出量的X-Y波形圖；可采用X-Y記錄器，磁帶數(shù)據(jù)記錄器、波形儲存示波器，數(shù)采儀及配以A/D轉(zhuǎn)換卡和數(shù)據(jù)處理軟件的PC機(jī)實(shí)現(xiàn)波形顯示的目的。
本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)對冰樣物理參數(shù)的連續(xù)、自動檢測，效率高、數(shù)據(jù)重復(fù)性好；選定在近紅外光譜區(qū)工作，可實(shí)現(xiàn)對冰樣在條件現(xiàn)場條件下的檢測。
本實(shí)用新型附圖圖面說明如下

圖1是本實(shí)用新型冰物理參數(shù)檢測裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖①-激光光源組件②-滑座組件③-光敏器件組件圖2是圖1的俯視圖圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例信號處理流程示意圖圖4是本實(shí)用新型掃描光束遇到氣泡，微粒和不同冰晶時(shí)，光敏器件輸出電壓波形的變化特征。
以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳述如圖1、圖2所示，一種冰物理參數(shù)檢測儀，由橫向安裝在底板(8)上的滑座組件②，同軸安裝在滑座組件②兩側(cè)底板(4)上的激光光源組件①、光敏器件組件③及信號處理裝置組成，通過支座(23)在底板(8)上安裝有位移傳感器(22)；
滑座組件②通過絲桿滑座(15)安裝在底板(8)上，升降式冰樣支座(16)安裝在滑板(13)上，冰樣(17)由冰樣支座(16)上螺旋夾板固定，通過絲桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上、下調(diào)整；滑板(13)由手輪(24)或電機(jī)(25)通過絲桿(14)驅(qū)動在滑座(15)上滑動，在滑板(13)上安裝有位移檢測板(12)與位移傳感器(22)檢測頭接觸。
激光光源組件①由安裝在左T型支架管底(2)內(nèi)的半導(dǎo)體激光器(1)、準(zhǔn)直物鏡(3)及通過透鏡支架(5)同軸安裝在底板上的長聚焦透鏡(6)或通過光闌支座(9)同軸安裝在底板(8)上的光闌(10)組成；長聚焦透鏡(6)和光闌(10)分別用于產(chǎn)生點(diǎn)光束和矩形光束；長聚焦透鏡(6)通過安裝在透鏡支架(5)上的絲桿機(jī)構(gòu)(7)實(shí)現(xiàn)X軸向調(diào)整；光闌(10)通過安裝有光闌支座(9)上的Y、Z軸向絲桿機(jī)構(gòu)(11、21)實(shí)現(xiàn)Y、Z軸向調(diào)整；光敏器件組件(3)由安裝在右T型支架管座(19)內(nèi)的光敏器件(20)組成，本實(shí)施例中，選用光電二極管做光敏器件(20)考慮到感光面積，在光敏器件(20)前加裝有聚焦透鏡(24)；右、左T型支架管座(2、19)可分別旋裝用于冰晶尺寸檢測的起偏光鏡(4)及檢偏光鏡(18)。
圖3所示，位移輸出信號經(jīng)常規(guī)調(diào)制放大，輸入CRAS V3.X系統(tǒng)的(隨機(jī)信號與振動分析系統(tǒng)，南京汽輪機(jī)廠出品)A/D轉(zhuǎn)換卡；光電二極管輸出信號經(jīng)常規(guī)I/V轉(zhuǎn)換輸、放大輸入CRAS V3.X系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換卡；即可在微機(jī)顯示器上實(shí)現(xiàn)波形顯示。
圖4(a)是掃描光束遇到氣泡時(shí)、光敏器件輸出電壓波形的變化特征，根據(jù)圖示中梯形波起止點(diǎn)所對應(yīng)的橫坐標(biāo)，可求出氣泡直徑R。氣泡體積濃度n，可由以下公式求出n=N/WSL式中W-冰樣厚度L-掃描距離S-掃描光束面積N-掃描距離L內(nèi)遇到的氣泡個(gè)數(shù)冰密度ρ可由以下公式求出ρ1=ρλ(1-1/6πR1n)式中ρλ=0.917g/cm3(純冰密度)R-氣泡直徑n-氣泡體積濃度根據(jù)方形波(圖中未示出)起止點(diǎn)所對應(yīng)的橫坐標(biāo)，可求出微細(xì)層尺寸。
圖4(b)是掃描光束遇到微粒時(shí)光敏器件輸出電壓波形的變化特征，根據(jù)圖示中向下脈沖波形的起止點(diǎn)所對應(yīng)的橫坐標(biāo)，可求出微粒尺寸；圖4(c)是掃描光束遇到不同冰晶時(shí)，光敏器件輸出電壓波形的變化特征，在掃描距離L內(nèi)，根據(jù)波形變化判讀了冰晶個(gè)數(shù)N，由于冰樣的制作不可能實(shí)現(xiàn)所測晶體同時(shí)處于最大截面以及冰晶重疊和三維效應(yīng)帶來的誤差，由以下公式計(jì)算冰晶平徑線性直徑DD=K(L/N)修正系數(shù)K=1.7權(quán)利要求1.一種冰物理參數(shù)檢測裝置，由橫向安裝在底板(8)上的滑座組件②、同軸安裝在滑座組件②兩側(cè)底板(8)上的激光光源組件①、光敏器件組件③及信號處理裝置組成，在底板(8)上安裝有位移傳感器(22)，其特征在于滑座組件②通過絲桿滑座(15)安裝在底板(8)上，升降式冰樣支座(16)安裝在滑板(13)上，滑板(13)由手輪(25)或電機(jī)(26)通過絲桿(14)驅(qū)動在滑座(15)上滑動，在滑板(13)上安裝的位移檢測板(12)，與位移傳感器(22)檢測頭接觸；激光光源組件①由安裝在左T型支架管座(2)內(nèi)的半導(dǎo)體激光器(1)、準(zhǔn)直物鏡(3)及通過透鏡支架(5)同軸安裝在底板上的長聚焦透鏡(6)或通過光闌支座(9)同軸安裝在底板(8)上的光闌(10)組成；光敏器件組件③由安裝在右T型支架管座(19)內(nèi)的光敏器件(20)組成；在左、右T型支架管座(2、19)可分別旋裝起偏光鏡(4)及檢偏光鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冰物理參數(shù)檢測裝置，其特征在于右T型支架管座(19)內(nèi)，在光敏器件(20)前安裝有聚焦透鏡(24)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冰物理參數(shù)檢測裝置，其特征在于透鏡支架(5)上安裝有X軸由向絲桿機(jī)構(gòu)(7)，光闌支座(9)上安裝有Y、Z軸向絲桿機(jī)構(gòu)(11、21)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冰物理參數(shù)檢測裝置，其特征在于半導(dǎo)體激光器(1)波長在0.78um～1.5um之間，功率在0.4～30mw之間。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一冰參數(shù)參數(shù)檢測裝置,由滑座組件及同軸安裝在滑座組件兩側(cè)的激光光源組件、光敏器件組件及信號處理裝置組成;升降式冰樣支座在滑座上滑動,與位移傳感器檢測頭接觸;激光光源組件由半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直物鏡及長聚焦透鏡或光闌組成;在激光光源組件及光敏器件組件前可旋裝起偏光鏡及檢偏光鏡;本實(shí)用新型利用掃描光束在冰樣中遇到微粒、氣泡及冰的旋光性引起的光強(qiáng)變化,檢測冰樣中的物理參數(shù)。
文檔編號G01N21/00GK2322140SQ9722495
公開日1999年6月2日 申請日期1997年8月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月27日
發(fā)明者孫波, 姚檀棟, 謝自楚 申請人:中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所