动态应变压电陶瓷探测结冰传感器制造技术

本发明专利技术公开的一种动态应变压电陶瓷探测结冰传感器，旨在提供一种能够高效准确探测结冰厚度的结冰探测器。本发明专利技术通过下述技术方案实现：压电陶瓷传感器探头通过电缆顺次连接信号调理电路板、脉冲电压发生电路板和多针插座，脉冲电压发生电路板每隔一段时间向信号调理电路板发送1个脉冲电信号；信号调理电路板将每次接受到的脉冲电信号调理为标准脉冲电压信号，传输给压电陶瓷传感器探头，压电陶瓷传感器探头在标准脉冲电压信号的激励下由逆压电效应产生瞬态形变，进而产生对感应罩瞬态脉冲激振力，感应罩以自身固有频率为主频的瞬态振动对压电陶瓷传感器产生反作用力，产生电荷信号传输给信号调理电路板和脉冲电压发生电路板，得到结冰感知信息。

Dynamic strain piezoelectric sensor for ice detection

【技术实现步骤摘要】
动态应变压电陶瓷探测结冰传感器
本专利技术涉及基于压电敏感元件的结冰探测
，尤其涉及一种压电脉冲激振工作模式的结冰探测器。
技术介绍
飞机结冰是一种重要的影响航空运输安全的现象，几乎不可避免。由于飞机外表面的冰雪霜污染会使飞机的外形产生变化，增加飞机重量，使飞机的外表面变得粗糙，增加阻力，减少升力。严重时会引起飞机失速和瞬间反常上仰，从而使操纵效能降低和起飞离地过程中出现非指令迎角变化和滚转，使飞行姿态难以控制，处置不当严重危及飞行安全。因此结冰是影响飞机飞行安全性能和飞行效率的主要问题之一。大气中结冰云层多出现在0-7000m，在此高度范围内，空气中存在着大量的过冷水滴，其特征是温度低于0℃却不结晶，并以液态雾滴的形式存在，它们的直径多为微米级。当飞机机体碰到过冷水滴时，如果机体表面温度低于0℃，过冷水滴便会瞬间在机体表面形成冰。在6000m以下的中低空飞行的飞机，活动高度范围完全处于结冰云层的高度覆盖范围内，飞行环境相对恶劣，遭遇结冰的可能性比较大，接触过冷水滴的机会越大，越容易结冰。飞机结冰被航空界认定为影响飞机飞行的6大气象因素之一。气象结冰条件的环境温度、液态水含量和水滴粒径三要素的测量本身相对困难，尤其是后两者；即使准确测出了上述三因素，仍不能直接预测结冰区，气象结冰条件是一个异常复杂的物理量。飞机在大气中飞行时，只要遇到高湿度和低温两个条件，飞机就有可能结冰。结冰对飞机的性能以及效率的影响是很严重的。结冰会增大飞行中的阻力，并减小升力；影响大气压力仪表等仪表的正常读数；操纵舵面活动卡滞；影响无线电信号的接收。飞机结冰是指飞机机体表面某些部分聚集冰层的现象，它主要由云中过冷水滴或降雨中的过冷雨碰到飞机机体后凝固形成的，也可由水汽直接在机体表面凝华而成。只要有适当的空气湿度，很容易产生结冰现象。机翼前缘结冰，飞机的空气动力性能变坏，使飞机的升力减小，阻力增大，影响飞机的安全性和操作性；在旋翼和螺旋桨叶上结冰，会造成飞机剧烈颤动；发动机进气道结冰，可能会损坏飞机；风挡结冰，妨碍目视飞行；天线结冰，影响通讯或造成通讯中断，这些因素都可能造成意想不到的事故。结冰探测技术在航空工业领域具有十分重要的地位。如果飞机在空中飞行时机身关键部位结冰，其自身飞行安全将面临巨大威胁。历史上发生过多起因飞行时机身结冰而造成的空难事故，因此，需要对机身关键部位采取结冰探测措施，以避免因结冰而造成的飞行事故。当前，航空用结冰探测器主要有目视结冰探测棒、机械谐振式结冰探测器和光学结冰探测器等。目视结冰探测棒属于传统的结冰探测技术，该技术是将结冰探测棒安装伸出到机身外，通过飞行员目视观察结冰探测棒的来判断机身的结冰情况。目视结冰探测棒技术的主要缺陷在于：1)依赖于飞行员的主观判断结果，容易受飞行员自身经验、主观意识等影响而造成误差；2)该技术需将结冰探测棒安装伸出到机身轮廓之外，不能实现与机身的齐平保形，尤其不能满足对隐身性能有要求的机型的使用要求。由于结冰信号器上的结冰和飞机机体上的结冰之对应关系非常复杂，难以从目视结冰探测棒上的结冰推测飞机机体上的结冰状况，故飞机机体上那些容易结冰部位是否真的结冰以及结冰状况如何，目视结冰探测棒尚无法确定。机械谐振式结冰探测器是目前比较成熟的技术。由于机械谐振固有频率由结构刚度和质量决定，当机械谐振式结冰探测器的探头结冰时，探头的刚度和质量发生变化，从而导致其谐振频率发生变化，由谐振频率的变化可判断结冰情况。机械谐振式结冰探测器可嵌入飞机机身蒙皮中，可实现与机身轮廓的齐平保形。然而，长期在谐振频率工作必然引起探头疲劳伤损，故机械谐振式结冰探测器存在使用寿命较短的缺陷。光学结冰探测器利用光学的吸收强度变化来判断是否结冰。放射性同位素结冰探测器则是利用结冰之后从放射源抵达计数器的β粒子(电子)数量减少的原理工作的。光学法结冰探测主要包括:摄像式、红外阻断式、红外能量反射式及光纤式等。摄像式摄像法探测系统主要由红外摄像机、图像处理器和视频监控器组成。在几个不同的光谱段内，摄像机对桨叶表面进行红外辐射的探测，图像处理器对图像进行滤波和信息提取，根据图像中采样点的反射率不同，可以将所需的反射率区域显示出来，从而达到结冰判断和结冰区域的识别。红外阻断式结冰传感器采用发射装置和接收装置对射的方式，通过检测结冰前后，输出电压幅值的变化来实现结冰探测，输出电压幅值与结冰厚度成正比，当冰厚达到最大值时，启动加热除冰装置。通过记录电压幅值的周期性变化，可以得到结冰状态的信息。但是，探头受到气流速度的影响，红外阻断发传感器会受到飞行速度限制，探头内的气流速度受飞行速度的影响将引起较大的测量误差。对高速飞行的探测误差较大，一般用于悬停状态和低速飞行时的结冰探测。红外反射式红外探测器:红外温度计结冰传感器通过探测温度差值得到结冰信息。所有固体在温度大于绝对零度时都会反射红外能量，通过红外能量来反映探测片的表面温度。红外探测器输出的电信号非常微弱，几乎被背景噪声及其他干扰所淹没，根本无法直接用于分析结冰情况。红外探测器在未结冰时，两个探测片的温度存在着较大差别，结冰时，温度差值非常接近。但此类传感器只能用于地面飞机结冰探测。目前常用于近红外辐射的光子探测器主要有普通光电二极管、雪崩光电二极管以及PIN光电二极管。普通光电二极管虽然价格低廉，使用方便，但其PN结耗尽层只有几微米，导致光电转换效率较低，而且响应速度较慢，跟不上红外激光器的调制频率。雪崩光电二极管不但灵敏度非常高，而且响应速度也相当快。但其工作在几十伏乃至几百伏的高反压条件下，并且要求搭配复杂的温度补偿电路，导致成本较高。光纤式结冰探测器是近年来的一种新型结冰探测技术，它是利用不同厚度的冰对光的反射率不同的原理，通过光纤采集冰对光的反射信号，反射信号经后端解算后得到结冰厚度探测结果。光纤式结冰探测器可嵌入飞机机身蒙皮中，可实现与机身轮廓的齐平保形。由于不同气象条件下形成的冰的密度和透明度不同，而冰的密度和透明度也很大程度的影响冰对光的反射率，因此光纤式结冰探测器的探测结果容易受气象条件影响而造成误差。目前绝大多数民航飞机采用结冰探测器，探测到结冰条件后接通防冰系统的探测方式。结冰探测器通常分为两大类：直观式和自动式。直观式结冰探测器一般安装在机头前方、风挡玻璃附近等较为容易观察的区域。当发现结冰后飞行员人工接通除冰系统进行除冰。自动式结冰探测器是探测到结冰的厚度达到探测器的最小灵敏度时，即能向飞行员发出结冰信号，又可以自动接通防冰系统进行除冰的探测器。常用的自动式结冰探测器有震荡式、压差式、放射性同位素。震荡式结冰探测器核心部件是超声波轴向震荡探头。震荡探头在结冰后，振荡频率会发生变化，利用这个原理，感知飞机是否结冰。压差式结冰探测器又被称作冲压空气式结冰探测器，它利用测量迎面气流的动压(全压)与静压的差值，来判断飞机是否结冰。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种高效、简便且准确的结冰厚度探测结果的压电动态应变压电陶瓷探测结冰传感器，用于解决目前结冰探测系统无法同时满足：1)与机身轮廓齐平保形，2)使用寿命较长，3)探测结果不受气象条件影响本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态应变压电陶瓷探测结冰传感器，包括：制有阶梯圆柱体的感应罩（3），与感应罩相连的底座（5）所构成的探测器主体结构，固联在所述底座（5）底部的多针插座（6），以及固定在探测器主体结构内腔中，并通过电缆（2）连接多针插座（6）和脉冲电压发生电路板（8）的信号调理电路板（9），其特征在于：在感应罩（3）端部内侧壁面固定有压电陶瓷传感器探头（1），该压电陶瓷传感器探头（1）通过上述电缆（2）顺次连接信号调理电路板（9）、脉冲电压发生电路板（8）和多针插座（6），多针插座（6）向信号调理电路板（9）、脉冲电压发生电路板（8）供电，脉冲电压发生电路板（8）每隔一段时间向信号调理电路板（9）发送1个脉冲电信号；当飞机进入结冰环境，感应罩（3）迎着气流外表面聚积了冷云层中的液态冷水滴结冰时，信号调理电路板（9）将每次接受到的脉冲电信号调理为标准脉冲电压信号，并将标准脉冲电压信号传输给压电陶瓷传感器探头（1），压电陶瓷传感器探头（1）在标准脉冲电压信号的激励下由逆压电效应产生瞬态形变，进而产生对感应罩（3）瞬态脉冲激振力，感应罩（3）因此发生以自身固有频率f为主频的瞬态振动响应，以自身固有频率f为主频的瞬态振动响应对压电陶瓷传感器产生反作用力，压电陶瓷传感器由正压电效应产生与f为主频的瞬态振动响应一致的电荷信号，此电荷信号通过电缆（2）传输给信号调理电路板（9），转换成电压信号，脉冲电压发生电路板（8）通过记录电压变化曲线，得到结冰感知信息。/n...

【技术特征摘要】
1.一种动态应变压电陶瓷探测结冰传感器，包括：制有阶梯圆柱体的感应罩（3），与感应罩相连的底座（5）所构成的探测器主体结构，固联在所述底座（5）底部的多针插座（6），以及固定在探测器主体结构内腔中，并通过电缆（2）连接多针插座（6）和脉冲电压发生电路板（8）的信号调理电路板（9），其特征在于：在感应罩（3）端部内侧壁面固定有压电陶瓷传感器探头（1），该压电陶瓷传感器探头（1）通过上述电缆（2）顺次连接信号调理电路板（9）、脉冲电压发生电路板（8）和多针插座（6），多针插座（6）向信号调理电路板（9）、脉冲电压发生电路板（8）供电，脉冲电压发生电路板（8）每隔一段时间向信号调理电路板（9）发送1个脉冲电信号；当飞机进入结冰环境，感应罩（3）迎着气流外表面聚积了冷云层中的液态冷水滴结冰时，信号调理电路板（9）将每次接受到的脉冲电信号调理为标准脉冲电压信号，并将标准脉冲电压信号传输给压电陶瓷传感器探头（1），压电陶瓷传感器探头（1）在标准脉冲电压信号的激励下由逆压电效应产生瞬态形变，进而产生对感应罩（3）瞬态脉冲激振力，感应罩（3）因此发生以自身固有频率f为主频的瞬态振动响应，以自身固有频率f为主频的瞬态振动响应对压电陶瓷传感器产生反作用力，压电陶瓷传感器由正压电效应产生与f为主频的瞬态振动响应一致的电荷信号，此电荷信号通过电缆（2）传输给信号调理电路板（9），转换成电压信号，脉冲电压发生电路板（8）通过记录电压变化曲线，得到结冰感知信息。


2.如权利要求1所述的动态应变压电陶瓷探测结冰传感器，其特征在于：多针插座（6）向脉冲电压发生电路板（8）和信号调理电路板（9）供电28VDC，脉冲电压发生电路板（8）每隔1s向信号调理电路板（9）发送1个脉冲电信号；信号调理电路板（9）将每次接受到的脉冲电信号调理为5.5V标准脉冲电压信号，将调理成便于显示、记录、处理和控制的5.5V标准脉冲电压信号传输给压电陶瓷（1），压电陶瓷感器探头（1）中的压电陶瓷在5.5V标准脉冲电压信号的激励下，由压电效应产生瞬态形变。


3.如权利要求1所述的动态应变压电陶瓷探测结冰传感器，其特征在于：感应罩（3）在结冰和非结冰状态下的固有频率是不同的，利用设定的参考值进行比较，根据机械振动固有频率公式解算出感应罩（3）结冰状态的变化趋势，发出结冰信号，并通过电缆（2）传输到多针插座（6），由多针插座（6）将信号向外传递...

【专利技术属性】
技术研发人员：金城，王瑞琪，周云峰，毛雨阳，熊伟蒲，熊艳梅，
申请(专利权)人：成都凯天电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51