一种阵列式结冰探测器

1.本发明属于航空探测技术领域，具体涉及一种阵列式结冰探测器。


背景技术：

2.结冰对于飞机、风力机等结构体而言是重大的安全隐患，同时也降低其运营效率。防除冰系统保障了飞机、风力机的安全运行，但传统结冰传感器却难以应对冰水混合相态下的测量任务。结冰传感器对防除冰效果的反馈能力差，导致防除冰系统始终存在工作时间过长、能量消耗过大的问题。
3.专利申请cn114476081公开了一种具有稳定性能的结冰探测器，通过优化谐振筒式结冰传感器的零件结构及装配工艺，使谐振系统的输出性能更稳定，达到了良好的结冰探测效果。该专利申请原理成熟可靠、结冰探测精度高，表述了目前应用最广泛结冰传感器的性能。然而，其外伸式的探杆与翼面呈垂直状态，在翼面进行防除冰作业时，传感器难以感知翼面的冰层融化、水膜再冻结等情况。同时，在谐振式的原理中，积水使输出频率下降，而结冰使输出频率上升。冰水混合状态下，传感器的输出频率无法表征冰层的实际厚度，存在漏警的隐患。
4.专利申请cn101038183公开了一种光纤式结冰传感器，通过平端面光纤束进行基于主动光源的反射光强探测，从而测量冰层的厚度。该发明尺寸小、适装性强、电磁兼容性好、可靠性高，非常适用于结构体结冰探测。然而，基于光学原理的探测难以在冰水混合状态下识别冰层与水膜，对防除冰效果的探测能力较差，不能引导防除冰系统进行高能效工作。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种阵列式结冰探测器。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种阵列式结冰探测器，包括：
8.复阻抗传感机构，设置于需要进行结冰探测的结构表面，其包括：
9.衬底；
10.箔片电极对阵列，设置于所述衬底顶部，其包括多个不同空间波长的电极对，用以采集不同穿透深度的复阻抗频率特性数据；
11.非金属覆膜，设置于所述箔片电极对阵列顶部；
12.以及，
13.嵌入式数据处理装置，一端通过屏蔽线缆与所述箔片电极对阵列连接，另一端与数字总线连接，所述嵌入式数据处理装置驱动多个所述电极对依次进行复阻抗频率特性数据测量并接收所述测量数据，所述嵌入式数据处理装置根据所述测量数据识别结构表面冰、水及冰水混合相状态并计算冰层及水膜的温度、厚度以及堆叠次序。
14.优选的，每个所述电极对采用叉指电极，呈交叉排布状态。
15.优选的，每个所述电极对的穿透深度d与空间波长λ直接相关，空间波长λ由电极宽度w及电极中心线间距s决定，对于不同的穿透深度，电极宽度w及电极中心线间距s满足如下条件：
[0016][0017]
式中，c0为足够厚度冰层直接生长于电极对表面时测得的电容值，cd为冰层与电极对表面距离等于穿透深度d时测得的电容值，c
∞
为冰层处于无穷远处时测得的电容值。
[0018]
优选的，所述电极对的数量至少为三个，所述电极对与非金属覆膜顶部表面的距离不超过最小穿透深度的四分之一，且不超过1mm。
[0019]
优选的，箔片电极对阵列包含三个不同空间波长的电极对，低穿透深度电极对101，中穿透深度电极对102和高穿透深度电极对103，三个电极对的中心线间距s分别为3.6mm、6.8mm、12.6mm，电极宽度w分别为0.9mm、1.7mm、3.15mm，所述高穿透深度电极对103的穿透深度大于或等于低穿透深度电极对101的穿透深度的三倍。
[0020]
优选的，所述衬底及非金属覆膜采用聚酰亚胺或玻纤层材料，所述电极对采用铜箔。
[0021]
优选的，所述衬底中还包含一层用于保护电极测量环境的接地层电极，所述接地层电极与多个所述电极对的在厚度方向上的距离大于1mm。
[0022]
优选的，所述嵌入式数据处理装置中包含复阻抗测量电路及电极对切换电路。
[0023]
优选的，所述衬底采用聚酰亚胺薄膜配合聚合物补强片、保护铜箔制成，所述聚酰亚胺薄膜将聚合物补强片和保护铜箔完全包裹，且聚合物补强片位于保护铜箔顶部，所述保护铜箔为接地层电极，与电路信号接地连接，所述聚合物补强片位于所述箔片电极对阵列下方，厚度为1mm。
[0024]
优选的，所述嵌入式数据处理装置3通过电极对采集复阻抗数据并依据rc并联模型计算电容c
p
及损耗角正切值d，其计算公式如下，
[0025][0026]
式中，z
*
(ω)为测得阻抗模，z
′
(ω)为阻抗模实部，z”(ω)为阻抗模虚部，ω为角频率，θ为相角，ε0为真空介电常数，εr为介质相对介电常数，s为广义电容极板正对面积，d为极板间距，g为rc并联网络等效电导率，σe为介质电导率。
[0027]
本发明提供的阵列式结冰探测器具有以下有益效果：
[0028]
本发明的嵌入式数据处理装置通过复阻抗传感机构采集复阻抗数据，并依据各电极对测得低频及高频电容的大小，进行各电极对穿透深度内状态的区分，做到冰水混合状态的识别；同时，结合不同空间波长的电极对穿透深度不同，可实现对冰水混合状态的定量
测量。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1是本发明实施例阵列式结冰探测器的结构示意图；
[0031]
图2是本发明实施例阵列式结冰探测器的电极设计概念图；
[0032]
图3是本发明实施例阵列式结冰探测器测量数据曲线与处理方法示意图；
[0033]
图4是本发明实施例阵列式结冰探测器测量温度分布示意图；
[0034]
图5是本发明另一种实施例阵列式结冰探测器的结构示意图。
[0035]
附图标记说明：
[0036]
1-复阻抗传感机构，2-屏蔽线缆，3-嵌入式数据处理装置，4-数字总线，101-低穿透深度电极对，102-中穿透深度电极对，103-高穿透深度电极对，104-非金属覆膜，105-衬底。
具体实施方式
[0037]
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0038]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0039]
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
[0040]
实施例1
[0041]
本发明提供了一种阵列式结冰探测器，该探测器采用了基于弛豫极化原理的阻抗式结冰探测方法，通过具有多级空间波长的复阻抗传感机构1与嵌入式数据处理装置3实现对冰层冻结及融化状态的定量探测。
[0042]
复阻抗传感机构1设置于需要进行结冰探测的结构表面，包括衬底105、箔片电极对阵列和非金属覆膜104，如图1所示，箔片电极对阵列设置于衬底105顶部，其包括多个不同空间波长的电极对，每个电极对采用叉指电极，呈交叉排布状态，用以采集不同穿透深度的复阻抗频率特性数据；非金属覆膜104设置于箔片电极对阵列顶部；
[0043]
嵌入式数据处理装置3一端通过屏蔽线缆2与复阻抗传感机构1连接，另一端与数字总线4连接，嵌入式数据处理装置3驱动多个不同空间波长的电极对依次进行复阻抗频率特性数据测量并接收测量数据，嵌入式数据处理装置3根据测量数据识别结构表面冰、水及冰水混合相状态并计算冰层及水膜的温度、厚度以及堆叠次序。
[0044]
本发明的探测原理利用了h2o分子的弛豫极化特性，水(h2o，氢氧键夹角104.5
°
)的正负电荷中心不重合，属于极性分子，冰也具有同样属性，但两者的固有偶极矩转向极化的弛豫时间不同，从而造成其相对介电常数随频率变化的特性不同，依据这个原理，可以做到冰与水的区分识别，同时，根据测得的不同频率下电容值相对关系，可以做到冰水混合状态的识别；结合不同空间波长的电极对穿透深度不同，可实现对冰水混合状态的定量测量。
[0045]
每个电极对的穿透深度d与空间波长λ直接相关，空间波长λ由电极宽度w及电极中心线间距s如图2所示决定，对于不同的穿透深度，电极宽度w及电极中心线间距s满足如下条件：
[0046][0047]
式中，c0为足够厚度冰层直接生长于电极对表面时测得的电容值，cd为冰层与电极对表面距离等于穿透深度d时测得的电容值，c
∞
为冰层处于无穷远处时测得的电容值。
[0048]
在本实施例中，衬底105及非金属覆膜104采用聚酰亚胺或玻纤层材料，电极采用铜箔。衬底105中还包含一层用于保护电极测量环境的接地层电极；接地层电极与多个电极对的在厚度方向上的距离大于1mm。电极对的数量至少为三个，且最大穿透深度大于等于最小穿透深度的三倍，电极对与非金属覆膜104顶部表面的距离不超过最小空间波长电极对穿透深度的四分之一，且不超过1mm。
[0049]
实施例2
[0050]
箔片电极对阵列包含三个不同空间波长的电极对，低穿透深度电极对101，中穿透深度电极对102和高穿透深度电极对103，三个电极对的中心线间距s分别为3.6mm、6.8mm、12.6mm，电极宽度w分别为0.9mm、1.7mm、3.15mm。叉指电极的长度与电极叉指数量由探测器的大小决定，通常情况下电极长度不短于10mm，电极叉指对数不少于3对。顶部非金属覆膜104厚度为0.2mm。
[0051]
嵌入式数据处理装置3中包含复阻抗测量电路及电极对切换电路，每对电极测量完成后立即切换至下一对电极进行测量，阵列中电极对全部测量一次的时间控制在3s中之内为宜。各电极采用扫频工作模式，扫频范围为0.5khz至200khz，扫频步长在频率常用对数坐标轴上为0.25。
[0052]
嵌入式数据处理装置3通过复阻抗传感机构1采集复阻抗数据并依据rc并联模型计算电容c
p
及损耗角正切值d，其计算公式如下，
[0053][0054]
式中，z
*
(ω)为测得阻抗模，z
′
(ω)为阻抗模实部，z”(ω)为阻抗模虚部，ω为角频率，θ为相角，ε0为真空介电常数，εr为介质相对介电常数，s为广义电容极板正对面积，d为极板间距，g为rc并联网络等效电导率，σe为介质电导率。
[0055]
如图3所示，选取500hz处c
low
及200khz处c
high
进行状态判断。阈值c0略高于电极对空载时500hz处的电容值，c1略高于电极对结冰时200khz处的电容值，c2略低于电极对积水时200khz处的电容值，特别地，对于每对不同结构的电极，相关阈值均有差异。
[0056]
所测得电容值与冰厚h
ice
、水膜厚度h
water
之间的关系通过下式表征，其中多项式系数通过实验数据拟合得到。
[0057][0058]
式中，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3、d1、d2和d3均为通过数据拟合得到的多项式系数。
[0059]
嵌入式数据处理装置3通过损耗角正切值d估算冰层温度情况，损耗角正切值d曲线在测量频率区间内呈单峰特性，峰值频率f
p
表征了冰层的温度情况。以图4为例，依据电极对穿透深度将冰层划分为三个区域，将每个区域内冰层视作同温状态,冰层温度在厚度方向的积分结果决定了f
p
的值，由最浅穿透深度的电极对开始计算区域1的等效温度t1，然后将区域1的等效温度计算结果带入区域2等效温度t2的计算方程中，以此类推获得每个区域的等效温度。
[0060]
通过等效温度测量结果，判断表层与底层温度高低关系，从而识别冰层的冻结与融化状态。通过拟合冰厚方向上的温度分布曲线，并进行样条插值拟合，以观察冰层温度梯度变化情况。
[0061]
实施例3
[0062]
在本实施例中，电极对被设计为多个单一电极101-1～101-6,每个单一电极通过屏蔽线缆201～206与嵌入式数据处理装置3连接。嵌入式数据处理装置3通过继电器对单一电极进行组合实现不同穿透深度的电极对。在本实施例中，单一电极宽度w为1mm，电极长度为20mm，相邻电极中心线间距s为1mm。在组成低穿透深度电极对时，101-1、101-3、101-5被连通为一个电极，101-2、101-4、101-6被连通为另一个电极；在组成中穿透深度电极对时，101-1、101-2被连通为一个电极，101-4、101-5被连通为另一个电极，101-3、101-6是浮空电极；在组成高穿透深度电极对时，101-1、101-2被连通为一个电极，101-5、101-6被连通为另一个电极，101-3、101-4是浮空电极。本实施例中，探测器的测量方法与实施例1及实施例2相同。
[0063]
本发明提供的阵列式结冰探测器具有以下有益效果：
[0064]
1、本发明依据弛豫极化原理，通过不同穿透深度的电极对实现了对冰水混合状态的定量测量，消除了传统结冰传感器的功能盲点，有望大幅提升防除冰系统的工作效能，具有明显的现实意义；
[0065]
2、由于本发明的复阻抗传感机构为薄膜材料，具有柔性可弯曲性质，因此，相较于传统的刚性结构传感器，本发明可贴合小曲率的弯曲表面安装，并不会像传统刚性外伸式传感器一样，造成额外的空气阻力；
[0066]
3、本发明的探测器采用多层薄膜结构，易于安装且重量较低，降低了使用和维护的成本。
[0067]
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种阵列式结冰探测器，其特征在于，包括：复阻抗传感机构(1)，设置于需要进行结冰探测的结构表面，其包括：衬底(105)；箔片电极对阵列，设置于所述衬底(105)顶部，其包括多个不同空间波长的电极对，用以采集不同穿透深度的复阻抗频率特性数据；非金属覆膜(104)，设置于所述箔片电极对阵列顶部；以及，嵌入式数据处理装置(3)，一端通过屏蔽线缆(2)与所述箔片电极对阵列连接，另一端与数字总线(4)连接；所述嵌入式数据处理装置(3)驱动多个所述电极对依次进行复阻抗频率特性数据测量并接收所述测量数据，所述嵌入式数据处理装置(3)根据所述测量数据识别结构表面冰、水及冰水混合相状态并计算冰层及水膜的温度、厚度以及堆叠次序。2.根据权利要求1所述的阵列式结冰探测器，其特征在于，每个所述电极对采用叉指电极，呈交叉排布状态。3.根据权利要求1所述的阵列式结冰探测器，其特征在于，每个所述电极对的穿透深度d与空间波长λ直接相关，空间波长λ由电极宽度w及电极中心线间距s决定，对于不同的穿透深度，电极宽度w及电极中心线间距s满足如下条件：式中，c0为足够厚度冰层直接生长于电极对表面时测得的电容值，c
d
为冰层与电极对表面距离等于穿透深度d时测得的电容值，c
∞
为冰层处于无穷远处时测得的电容值。4.根据权利要求3所述的阵列式结冰探测器，其特征在于，所述电极对的数量至少为三个，所述电极对与非金属覆膜(104)顶部表面的距离不超过最小穿透深度的四分之一，且不超过1mm。5.根据权利要求4所述的阵列式结冰探测器，其特征在于，箔片电极对阵列包含三个不同空间波长的电极对，低穿透深度电极对101，中穿透深度电极对102和高穿透深度电极对103，三个电极对的中心线间距s分别为3.6mm、6.8mm、12.6mm，电极宽度w分别为0.9mm、1.7mm、3.15mm，所述高穿透深度电极对103的穿透深度大于或等于低穿透深度电极对101的穿透深度的三倍。6.根据权利要求1所述的阵列式结冰探测器，其特征在于，所述衬底(105)及非金属覆膜(104)采用聚酰亚胺或玻纤层材料，所述电极对采用铜箔。7.根据权利要求1所述的阵列式结冰探测器，其特征在于，所述衬底(105)中还包含一层用于保护电极测量环境的接地层电极，所述接地层电极与多个所述电极对在厚度方向上的距离大于1mm。8.根据权利要求1所述的阵列式结冰探测器，其特征在于，所述嵌入式数据处理装置(3)中包含复阻抗测量电路及电极对切换电路。9.据权利要求6所述的阵列式结冰探测器，其特征在于，所述衬底(105)采用聚酰亚胺薄膜配合聚合物补强片、保护铜箔制成，所述聚酰亚胺薄膜将聚合物补强片和保护铜箔完
全包裹，且聚合物补强片位于保护铜箔顶部，所述保护铜箔为接地层电极，与电路信号接地连接，所述聚合物补强片位于所述箔片电极对阵列下方，厚度为1mm。10.据权利要求1所述的阵列式结冰探测器，其特征在于，所述嵌入式数据处理装置(3)通过电极对采集复阻抗数据并依据rc并联模型计算电容c
p
及损耗角正切值d，其计算公式如下，式中，z
*
(ω)为测得阻抗模，z
′
(ω)为阻抗模实部，z”(ω)为阻抗模虚部，ω为角频率，θ为相角，ε0为真空介电常数，ε
r
为介质相对介电常数，s为广义电容极板正对面积，d为极板间距，g为rc并联网络等效电导率，σ
e
为介质电导率。

技术总结
本发明提供了一种阵列式结冰探测器，属于航空探测技术领域，包括复阻抗传感机构和嵌入式数据处理装置。复阻抗传感机构设置于需要进行结冰探测的结构表面，包括衬底、箔片电极对阵列和非金属覆膜。箔片电极对阵列设置于衬底顶部，包括多个不同空间波长的电极对，用以采集不同穿透深度的复阻抗频率特性数据；非金属覆膜设置于箔片电极对阵列顶部；嵌入式数据处理装置一端通过屏蔽线缆与箔片电极对阵列连接，另一端与数字总线连接，嵌入式数据处理装置驱动多个电极对依次进行复阻抗频率特性数据测量并接收测量数据，嵌入式数据处理装置根据测量数据识别结构表面冰、水及冰水混合相状态并计算冰层及水膜的温度、厚度以及堆叠次序。序。序。


技术研发人员：桂康 白鸿飞 葛俊锋 叶林
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/4/28