结冰传感器

结冰传感器 作用:结冰传感器是一种检测飞机、输电线、建筑等物体表面结冰厚度的传感器，通过结冰传感器可以将结冰信号转换为可以直接检测的电学信号。根据检测机理可将结冰传感器分为:光学式、电学式、机械式等。光学式根据冰、水与空气的光学性质的不同检测结冰。 1.结冰传感器的分类及结构图:结冰传感器的分类很多。根据检测机理可将结冰传感器分为:光学式、电学式、机械式等。光学式根据冰、水与空气的光学性质的不同检测结冰。 1.1光学式结冰传感器 一种典型的光学式结冰传感器为光纤式结冰传感器，是用两根同心结构的光纤，中心圆形为发射光纤，可以发出红外光;外围圆环形为接收光纤，可以接受和检测散射和反射回来的红外光。光纤探头端面是一个平面玻璃，玻璃上没有结冰时，发射光纤发射的红外光全部透光玻璃端面进入空气，接收光纤接收不到任何红外光;当玻璃端面上有结冰时，发射光纤发出的部分红外光由于被冰层散射和反射而被接收光纤接受。通过检测接收光纤接收到的红外光的强弱，达到检测结冰的目的，如图所示。 1.2电学式结冰传感器: 电学式结冰传感器是 根据冰、空气和水电学性质的不同来检测结冰。一种典型的电学 式结冰传感器为电容式结冰传感器。电容式结冰传感器基于冰、空气和水介电常数的不同来判断电极之间的介质是冰、空气还是水。将多组电极对等距排列，每个电极对最为一个结冰检测刻度，总的结冰厚度就等于相邻电极对的距离和介质是冰的电极对的个数的乘积。左图中是公开号为101285673A的中国专利公布的一种电容比值式结冰传感器。图中:1-矩形金属屏蔽保护外壳;2-单片机;3-双路电容数字转换器;4-基准平行板电容器;5-检测平行板电容器组;6-双路可编程控制的刻度选通电路;绝缘保温密封填充，8-接线插座。其中基准平行板电容器电极之间没有结冰。检测平行板电容器的电极极板之间的介质可能是冰，可能是空气。当检测电容极板间是空气时，检测电容和基准电容的电容值之比为1;当检测电容极板间介质是冰时，检测电容和基准电容的电容值之比大于等于2。这样就可以判断任意一个检测电容极板之间的介质是冰还是空气。检测电容组竖直等距排列，检测结冰的厚度就等于相邻检测电容的竖直间距与介质是冰的检测电容的个数的乘积。 1.3机械式结冰传感器: 机械式结冰传感器是根据冰的机械特性检测结冰。一种比较典型的机械式结冰传感器是基于压电效应的平膜式结冰传感器。检测原理是:平膜上有结冰时，结冰增大了平膜的刚度，使平膜的谐振频率增大。通过压电陶瓷的压电效应驱动平膜振动在其谐振频率上，通过压电陶瓷的逆压电效应实时监测其谐振频率。 需要注意的是，并非所有的电容式结冰传感器都是属于电学式的，有的是属于机械式的。 1.4 MEMS电容式结冰传感器 美国NASA曾提出过一种微加工工艺制作的电容式结冰传感器，敏感结构是一个7微米厚度薄膜，整个薄膜为扩散硅层，作为电容的公共电极。用静电键合工艺将薄膜和一个有HF腐蚀的凹槽的pyrex玻璃键合到一起，将凹槽封闭为电容间隙。凹槽里有两个同心的方形电极，中心正方形的为驱动电极，外围回字形的为检测电极。驱动电极和公共电极之间加静电，平膜变形。检测电极和公共电极之间的电容称为检测电容。平膜上有结冰时，结冰增大了平膜刚度，使平膜变形量减小，检测电容两电极之间的距离增大，检测电容减小。通过检测电容的减小量来确定结冰 厚度。 2.5振管式结 冰传感器 结冰传感器 生要由激振 电路、振管、 驱动线圈、信号拾取线圈、永久磁铁等部件组成，结构如图1所示。是:激振电路为通过驱动线圈绘振管提供交变磁场，振管在磁场的作用下产生磁致伸缩晰振动，振动频率通过信号拾取线圈拾取信号正反馈给激振电路，使激振电路谐振于振管的轴向固有频率上，当振管表面结有冰层时，振管的固有频率会随着冰层的加厚而成比例地降低，因此，通过测量谐振频率的偏移量就可得出冰层的厚度。 1.6平膜压电谐振式结冰传感器 1.冰传感器的基本结构和原理 如图所示，平膜压电谐振式结冰传感器采用了一种三电极的结构，作为冰传感器使用时，极板面a朝上作为感受冰层的测量面。图2所示是作为冰传感器使用时的结构简图。 图表 1B—电极;U—电极;K—在U 中刻蚀的第个电极;D—传感器 图表 2传感器结构示意简图 当在电极a，b 之间加上一定的交变电压后，由于传感器d的逆压电效应，传感器作一阶弯曲振动，理论研究结果表明，冰聚集于振动体表面时，对传感器会产生3种影响:质量的增加减小了传感器的谐振 频率;刚度的增加提高了传感器的谐振频率;阻尼的增加减小了传感器的谐振振幅。传感器可视为一机械振动系统，其谐振频率fr与其等效质量m，等效刚度k之间存在着如下的函数关系: fr=c?k/m; ?式中c为量纲有关的常数。从式?可知，刚度k增加，谐振频率fr随之增加;质量m增加，谐振频率fr随之降低。结冰过程中，系统刚度和质量的增加同时影响其谐振频率，但刚度的增加占主导作用，传感器的谐振频率随冰层增厚而增加。冰厚越厚，刚度增加越大，谐振频率也就越大，这样传感器的谐振频率的变化实际就反映了传感器上结冰的情况。由此可知，获得传感器谐振频率就可以实现对结冰厚度的测量。 2.传感器的安装方式: 根据结冰传感器的安装方式，可将结冰传感器分为扁平安装结冰传感器和非扁平安装结冰传感器。扁平安装就是结冰传感器安装到被测物表面后，结冰检测面和物体表面平齐，这样传感器表面和物体表面的环境因素相同，可以更准确地感知物体表面结冰情况。非扁平安装结冰传感器安装后检测面和物体表面不平齐，表现为一个突出物。显然突出物表面与物体表面会有很大差异，如物体表面的层流流体到突出物处就有可能形成局部湍流。结冰传感器和被测物体表面环境因素不同，会造成结冰情况的不同，结冰传感器检测到的结冰就有可能不由物体表面一致。 3. 结冰传感器探头的工作原理 结冰传感器是基于谐振原理设计的, 机械振动体采用振管形式. 激振电路为振管提供交变磁场, 振管在磁场的作用下作轴向振动, 同时信号拾取电路将此机械振动信号转变为电信号反馈给激振电路, 使电路谐振于振管的轴向振动固有频率上. 当探头表面结有冰层时, 探头的固有频率会随着冰层的加厚而成比例的降低, 因此通过检测谐振频率的变化, 就可得出冰层的厚度. 针对这样的谐振系统, 在电路调试之前必须知道振管轴向振动固有频率, 以便在谐振电路调试时快速找出谐振点. 而且, 还需避免振管与支撑体发生共振, 使探失去检测作用. 因此, 对探头进行动态特性分析是一项重要的工作.利用有限元法和试验模态分析法相结合, 准确地确定了振管轴向振动固有频率, 为后续调试和结构改进提供了依据. 4.结冰传感器的发展趋势: 近年来，由于在航天业、环境监测和地下探测等领域对结冰传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对结冰传感器的研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术的应用，结冰传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类结冰传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是结冰传感器的发展方向。 5.结冰传感器的特点: 衡量结冰传感器检测性能的参数主要有:分辨率、灵敏度、温度系数、准确度、精确度等。 分辨率是指结冰传感器能够感知的最小结冰厚度。 灵敏度是指结冰厚度变化与结冰传感器输出变化的比值。 温度系数是指没有结冰信号时，结冰传感器的输出变化与温度变化的比值。 准确度是指用结冰传感器对同一结冰厚度进行检测，得到一系列数据，这一系列数据的中心点与实际结冰厚度的接近程度。 精确度是指上述一系列数据点相对于其中心点的分散程度。 参考文献: 【1】 百度搜索: 【2】结冰传感器探头的动态特性分析。哈尔滨工程大学学报，第24 卷第6 期。王 华;王以伦;柳宏涛 【3】平膜压电谐振式结冰传感器信号检测方法。仪表技术与传感 。2006年第4期。张洪;邢科新;张杰;叶林 【4】结冰传感器数学模型的建立和验证。传感器与微系统，2008年第27卷第12期。王华;聂丽梅;赵萍