唐山结冰传感器

一、概述

飞机机体结冰会对飞机的气动外形造成很大的影响，严重影响飞行安全，特别是机翼结冰，会直接导致升力不足，使得飞机无法起飞，爬升，甚至无法保持飞行。飞机的飞行主要依靠机翼的翼形产生压差作为升力，当机翼结冰后机翼的气动外形收到影响发生改变，而且表面光洁度收到很大影响的破坏，会造成气流无法按照预期的正常情况流动，无法获得升力，飞机便会失去继续飞行的能力，这样一来，会因为升力不足无法起飞爬升，飞行中的飞机出现这种情况会出现升力严重不足而开始下坠，急剧掉高度，甚至坠毁。所以飞机的除冰工作是非常重要的，不可以忽视的重要环节。

本公司结合国内风力的实际研究并开发了飞机机翼结冰检测系统。首先介绍结冰的快速计算理论，光纤式结冰传感器理论和微弱信号检测理论，然后以此为基础分别从探测器（包括光纤传感器），信号处理电路，上位机监控软件和通信协议四大方面对系统进行了详细设计。探测器和信号处理电路实现了从传感器端的微弱结冰状态变化到采集端的显著电压信号变化；上位机监控软件主要完成了串口通信模块设计，数据图形显示模块设计，数据存储模块设计，对硬件系统传送过来的结冰电压信号进行处理，并提供良好的人机界面，显示当前结冰告警状态，并把实时数据保存到文件夹中。完成了本系统的结冰的信号处理和雨水干扰的分析。

现场实践结果表明：本系统用于机翼结冰检测是可行的，可完成结冰告警功能，同时利用微波打落冰层.其结果是非常完美的。目前在飞机机翼结冰状态检测领域的研究和应用还处于初期阶段。应用已有的结冰状态分析方法和新型的光纤式结冰传感器等，实现对飞机机翼结冰状态检测，及时准确获取机翼的结冰状态，从而进行结冰预警，结冰检测，消除结冰对飞机的危害，这对飞机预防潜在自然危害具有很重要的意义。

目前在国内，结冰传感器的研究和应用还处于初期阶段，特别是在飞机机翼这个应用领域。国内已设计出的结冰状态检测装置主要应用磁致伸缩原理，只能通过传感器的结冰程度来判断叶片结冰情况，检测效果受电磁干扰影响较大。

与国内相比，国外的对飞机结冰检测起步早、重视度高，对飞机结冰模型的研究较为透彻，其机翼结冰检测技术也领先国内水平。其中，发展相对成熟的结冰检测主要方法有：电学法、机械法、光学法、波导法等。

二、工作原理

该类结冰探测技术是利用结冰的电学性质而开发的结冰传感器，运用最为普遍的电容式，它利用冰、水、空气的介电常数的不同来判断电极之间是冰、水、还是空气，并且还可以根据测得的电容值大小推算结冰厚度。典型的电容式结冰传感器有美国Innovative Dynamics公司开发的电容式传感器，该传感器能够检测的结冰厚度范围0.5mm~1.5mm、1.5-50mm。

（一）光学法

该类结冰探测技术是利用结冰对光的反射、吸收、散射等作用而开发的结冰传感器，光纤式结冰传感器是最为典型的光学传感器。光纤式传感器通过发射光纤将一定波光的光打入冰层，光经冰层的反射和散射后，会有一部分光返回到接收光纤，通过检测接收光纤所接收的光强就可以推算出结冰厚度。早在2003年，希腊科学家成功开发了种光纤式结冰传感器，后来英国也开发出一种具有优越性能的光纤式结冰传感器，它能检测到小到0.1mm的结冰。

（二）波导法

该类结冰探测技术是利用结冰对声波或者其它波的吸收和反射作用开发的结冰传感器，有声表面波式、超声脉冲回波式、微波谐振式。微波式结冰传感器已成功运用于空中加油飞机Cessna Cruader303，该传感器可以检测厚达25mm。

随着航空领域全球快速发展，飞机安全飞行问题已受到更为广泛的关注。但作为保障飞机安全运行的关键技术，飞机机翼结冰检测技术在国内的发展仍然相对落后。因此，能否从基础理论和技术方法研究入手，提出既有丰富深入的理论和方法研究内容，又有实际工程应用系统技术的研究开发是解决我国飞机飞行安全保障的迫切需求。

在结冰检测理论的基础上，利用以光纤式结冰传感器为主的多传感器系统，探测结冰光强信号，并经过电子系统进行信号调理，而数据采集模块则完成下位机与上位机之间的数据通信，最终把结冰告警信息实时显示在上位机界面上，并通过继电器输出模块控制结冰告警输出。最后通过实验室结冰及雨水干扰试验得到了结冰告警判决和雨水干扰判决的设定依据。

研究飞机机翼结冰检测的关键理论。其中包括结冰的快速计算理论，光纤式结冰传感器理论和微弱信号检测理论。

飞机机翼结冰检测系统应用结冰状态分析方法和光纤式结冰传感器，实现对机翼结冰状态检测，及时准确获取飞机机翼结冰状态，从而进行结冰预警，结冰检测。该系统主要涉及以下三方面的理论：即结冰的快速计算理论，光纤式结冰传感器理论和微弱信号检测理论。

1.结冰的快速计算理论

为了建立探测器结冰与机翼结冰之间的联系，需要对探测器结冰和机翼结冰情况进行快速计算，我们采用如下公式计算结冰厚度：

2.壁面边界条件

对于水滴相计算，不同于空气流场，在计算面壁时应采用壁面吸入边界条件，即如果水滴与物面碰撞，则认为水滴从碰撞点流出。

3.水滴收集率的计算

系统由探测器（包括光纤传感器）、光电收发模块、信号处理与通信模块和上位机这四大部分组成。除去上位机之外的其余三部分构成了系统的硬件。系统总体结构框图如图

3-1所示。

三、信号处理电路设计

飞机机翼结冰检测系统，综合应用多支不同类型的光纤式结冰传感器对机翼的结冰状况进行检测，实时显示当前结冰状况并发出告警信号。其硬件部分完成对传感器前端数据的采集，调理，并将数据上传给上位机进行后续处理。由于机翼结冰探测系统是用来保障飞机的安全飞行，因此系统设计要解决的首要问题就是稳定性和准确性，即系统要能稳定运行，不能出现故障导致无法运行，同时要有较高的精度，能够在探测点结冰厚度达到2mm时开始告警；鉴于飞机飞行环境复杂，系统要有很强的抗干扰性。

电子系统主要包括5个结冰信号探测电路、1个电源转换电路。温度探测、数据采集和485总线传输由数据模块完成。结冰信号探测电路又包括光源发射电路、差分放大器、同步积分器、相关器及低通滤波器。光源发射电路中方波发生器产生的方波信号一方面作为开关电路的开关信号，经三极管放大后驱动红外发光二极管，另一方面，作为同步积分器和相关器的参考信号；差分放大器通过两路接收探测器信号的相减作为输入信号，能够很好的减小背景光的影响；同步积分器在信号通道中可作为频率自动跟踪滤波器，滤除差分放大器输出信号中的部分噪声；相关器再利用互相关原理，使输入待测的周期信号和频率相同的参考信号在相关器中实现互相关运算，从而将深埋在噪声中的周期信号携带的信息检测出来。温度探测器在结冰测量中起到辅助的作用，一方面，在一定条件下，结冰的冰型和温度有很大的关系，另一方面，检测电路只有在温度满足条件的情况下才工作并上传数据，其他时间处于不工作的状态。

机翼·结冰检测系统的研制与开发，包括探测器（包括传感器）设计、硬件设计及软件设计。在各个部分的设计中综合考虑了系统的性、可靠性和实时性。

四、各项参数

检测参数：结冰、结冰厚度、积水、温度

量程：覆冰：0-0.3 ,0.3-50mm. 50-100mm

分辨率：0.2mm

检测精度：0.5mm

电源电压：3.3V ,5 V,12V, 24VD

功率：＜0.4W

灵敏度：0.4℃

通信方式：4-20mA.RS485 MODBUS

温度输出：-40℃~85℃

温度补偿范围：-40℃~85℃

探头材质：SUS304 /Teflon.四氟

环境温度：-40℃~85℃

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

防护等级：IP67