結冰傳感器

一、概述

飛機機體結冰會對飛機的氣動外形造成很大的影響，嚴重影響飛行安全，特別是機翼結冰，會直接導致升力不足，使得飛機無法起飛，爬升，甚至無法保持飛行。飛機的飛行主要依靠機翼的翼形產生壓差作為升力，當機翼結冰后機翼的氣動外形收到影響發生改變，而且表面光潔度收到很大影響的破壞，會造成氣流無法按照預期的正常情況流動，無法獲得升力，飛機便會失去繼續飛行的能力，這樣一來，會因為升力不足無法起飛爬升，飛行中的飛機出現這種情況會出現升力嚴重不足而開始下墜，急劇掉高度，甚至墜毀。所以飛機的除冰工作是非常重要的，不可以忽視的重要環節。

本公司結合國內風力的實際研究并開發了飛機機翼結冰檢測系統。首先介紹結冰的快速計算理論，光纖式結冰傳感器理論和微弱信號檢測理論，然后以此為基礎分別從探測器（包括光纖傳感器），信號處理電路，上位機監控軟件和通信協議四大方面對系統進行了詳細設計。探測器和信號處理電路實現了從傳感器端的微弱結冰狀態變化到采集端的顯著電壓信號變化；上位機監控軟件主要完成了串口通信模塊設計，數據圖形顯示模塊設計，數據存儲模塊設計，對硬件系統傳送過來的結冰電壓信號進行處理，并提供良好的人機界面，顯示當前結冰告警狀態，并把實時數據保存到文件夾中。完成了本系統的結冰的信號處理和雨水干擾的分析。

現場實踐結果表明：本系統用于機翼結冰檢測是可行的，可完成結冰告警功能，同時利用微波打落冰層.其結果是非常完美的。目前在飛機機翼結冰狀態檢測領域的研究和應用還處于初期階段。應用已有的結冰狀態分析方法和新型的光纖式結冰傳感器等，實現對飛機機翼結冰狀態檢測，及時準確獲取機翼的結冰狀態，從而進行結冰預警，結冰檢測，消除結冰對飛機的危害，這對飛機預防潛在自然危害具有很重要的意義。

目前在國內，結冰傳感器的研究和應用還處于初期階段，特別是在飛機機翼這個應用領域。國內已設計出的結冰狀態檢測裝置主要應用磁致伸縮原理，只能通過傳感器的結冰程度來判斷葉片結冰情況，檢測效果受電磁干擾影響較大。

與國內相比，國外的對飛機結冰檢測起步早、重視度高，對飛機結冰模型的研究較為透徹，其機翼結冰檢測技術也領先國內水平。其中，發展相對成熟的結冰檢測主要方法有：電學法、機械法、光學法、波導法等。

二、工作原理

該類結冰探測技術是利用結冰的電學性質而開發的結冰傳感器，運用最為普遍的電容式，它利用冰、水、空氣的介電常數的不同來判斷電極之間是冰、水、還是空氣，并且還可以根據測得的電容值大小推算結冰厚度。典型的電容式結冰傳感器有美國Innovative Dynamics公司開發的電容式傳感器，該傳感器能夠檢測的結冰厚度范圍0.5mm~1.5mm、1.5-50mm。

（一）光學法

該類結冰探測技術是利用結冰對光的反射、吸收、散射等作用而開發的結冰傳感器，光纖式結冰傳感器是最為典型的光學傳感器。光纖式傳感器通過發射光纖將一定波光的光打入冰層，光經冰層的反射和散射后，會有一部分光返回到接收光纖，通過檢測接收光纖所接收的光強就可以推算出結冰厚度。早在2003年，希臘科學家成功開發了種光纖式結冰傳感器，后來英國也開發出一種具有優越性能的光纖式結冰傳感器，它能檢測到小到0.1mm的結冰。

（二）波導法

該類結冰探測技術是利用結冰對聲波或者其它波的吸收和反射作用開發的結冰傳感器，有聲表面波式、超聲脈沖回波式、微波諧振式。微波式結冰傳感器已成功運用于空中加油飛機Cessna Cruader303，該傳感器可以檢測厚達25mm。

隨著航空領域全球快速發展，飛機安全飛行問題已受到更為廣泛的關注。但作為保障飛機安全運行的關鍵技術，飛機機翼結冰檢測技術在國內的發展仍然相對落后。因此，能否從基礎理論和技術方法研究入手，提出既有豐富深入的理論和方法研究內容，又有實際工程應用系統技術的研究開發是解決我國飛機飛行安全保障的迫切需求。

在結冰檢測理論的基礎上，利用以光纖式結冰傳感器為主的多傳感器系統，探測結冰光強信號，并經過電子系統進行信號調理，而數據采集模塊則完成下位機與上位機之間的數據通信，最終把結冰告警信息實時顯示在上位機界面上，并通過繼電器輸出模塊控制結冰告警輸出。最后通過實驗室結冰及雨水干擾試驗得到了結冰告警判決和雨水干擾判決的設定依據。

研究飛機機翼結冰檢測的關鍵理論。其中包括結冰的快速計算理論，光纖式結冰傳感器理論和微弱信號檢測理論。

飛機機翼結冰檢測系統應用結冰狀態分析方法和光纖式結冰傳感器，實現對機翼結冰狀態檢測，及時準確獲取飛機機翼結冰狀態，從而進行結冰預警，結冰檢測。該系統主要涉及以下三方面的理論：即結冰的快速計算理論，光纖式結冰傳感器理論和微弱信號檢測理論。

1.結冰的快速計算理論

為了建立探測器結冰與機翼結冰之間的聯系，需要對探測器結冰和機翼結冰情況進行快速計算，我們采用如下公式計算結冰厚度：

2.壁面邊界條件

對于水滴相計算，不同于空氣流場，在計算面壁時應采用壁面吸入邊界條件，即如果水滴與物面碰撞，則認為水滴從碰撞點流出。

3.水滴收集率的計算

系統由探測器（包括光纖傳感器）、光電收發模塊、信號處理與通信模塊和上位機這四大部分組成。除去上位機之外的其余三部分構成了系統的硬件。系統總體結構框圖如圖

3-1所示。

三、信號處理電路設計

飛機機翼結冰檢測系統，綜合應用多支不同類型的光纖式結冰傳感器對機翼的結冰狀況進行檢測，實時顯示當前結冰狀況并發出告警信號。其硬件部分完成對傳感器前端數據的采集，調理，并將數據上傳給上位機進行后續處理。由于機翼結冰探測系統是用來保障飛機的安全飛行，因此系統設計要解決的首要問題就是穩定性和準確性，即系統要能穩定運行，不能出現故障導致無法運行，同時要有較高的精度，能夠在探測點結冰厚度達到2mm時開始告警；鑒于飛機飛行環境復雜，系統要有很強的抗干擾性。

電子系統主要包括5個結冰信號探測電路、1個電源轉換電路。溫度探測、數據采集和485總線傳輸由數據模塊完成。結冰信號探測電路又包括光源發射電路、差分放大器、同步積分器、相關器及低通濾波器。光源發射電路中方波發生器產生的方波信號一方面作為開關電路的開關信號，經三極管放大后驅動紅外發光二極管，另一方面，作為同步積分器和相關器的參考信號；差分放大器通過兩路接收探測器信號的相減作為輸入信號，能夠很好的減小背景光的影響；同步積分器在信號通道中可作為頻率自動跟蹤濾波器，濾除差分放大器輸出信號中的部分噪聲；相關器再利用互相關原理，使輸入待測的周期信號和頻率相同的參考信號在相關器中實現互相關運算，從而將深埋在噪聲中的周期信號攜帶的信息檢測出來。溫度探測器在結冰測量中起到輔助的作用，一方面，在一定條件下，結冰的冰型和溫度有很大的關系，另一方面，檢測電路只有在溫度滿足條件的情況下才工作并上傳數據，其他時間處于不工作的狀態。

機翼·結冰檢測系統的研制與開發，包括探測器（包括傳感器）設計、硬件設計及軟件設計。在各個部分的設計中綜合考慮了系統的性、可靠性和實時性。

四、各項參數

檢測參數：結冰、結冰厚度、積水、溫度

量程：覆冰：0-0.3 ,0.3-50mm. 50-100mm

分辨率：0.2mm

檢測精度：0.5mm

電源電壓：3.3V ,5 V,12V, 24VD

功率：＜0.4W

靈敏度：0.4℃

通信方式：4-20mA.RS485 MODBUS

溫度輸出：-40℃~85℃

溫度補償范圍：-40℃~85℃

探頭材質：SUS304 /Teflon.四氟

環境溫度：-40℃~85℃

外形尺寸：Φ25*20mm Φ32*20mm Φ40*20mm（可根據需求定制外形尺寸）

防護等級：IP67