壓電式振動筒結(jié)冰傳感器及其測量結(jié)冰情況的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于飛機結(jié)冰探測的技術領域，具體涉及一種壓電式振動筒結(jié)冰傳感器及 其測量結(jié)冰情況的方法，安裝在飛機易結(jié)冰的區(qū)域，以實時測量飛機的結(jié)冰情況。
【背景技術】
[0002] 飛機結(jié)冰探測是飛機結(jié)冰防護系統(tǒng)的重要組成部分，是新型客機必備的關鍵設 備，是飛機先進性、經(jīng)濟性和安全性的體現(xiàn)。
[0003] 飛機結(jié)冰不僅會引起飛機重量的增加，而且能使其氣動外形受到破壞，導致飛行 阻力增加，操穩(wěn)性能下降，結(jié)冰嚴重時，還可能出現(xiàn)嚴重的飛行事故。因此需要在飛機易產(chǎn) 生結(jié)冰的區(qū)域安裝結(jié)冰傳感器以實時測量飛機結(jié)冰的情況，并根據(jù)傳感器所反饋的結(jié)冰信 息進行除冰控制系統(tǒng)的操作。
[0004] 振動法結(jié)冰傳感器是利用結(jié)冰能改變振動體振動頻率這一原理對結(jié)冰進行探測 的，目前應用較多的主要是磁致伸縮結(jié)冰探測傳感器和平膜式結(jié)冰傳感器。該種傳感器的 諧振電路產(chǎn)生交變磁場，振管在磁場的作用下產(chǎn)生磁致伸縮而振動，振動頻率通過反饋 網(wǎng)絡正反饋給激振電路，使諧振電路諧振于振管的軸向固有頻率上，這樣電路的諧振頻 率就包含了振管軸向固有振動頻率的信息，成為振管軸向固有振動頻率的外部反映，從 而實現(xiàn)電路對其的檢測。又根據(jù)振動學理論，當探頭表面結(jié)有冰層時，探頭的固有頻率會 隨著冰層的加厚而成比例降低，因此通過檢測諧振頻率的偏移量A f就可得出冰層的厚 度。
[0005] 磁致伸縮結(jié)冰探測傳感器強度高、可靠性好、性能穩(wěn)定。缺點是自身需要加熱，最 小檢出冰層厚度還不十分靈敏。
[0006] 平膜式結(jié)冰傳感器一種基于壓電陶瓷的壓電效應和逆壓電效應及固體的諧振頻 率隨著剛度和質(zhì)量的變化而變化等原理的冰傳感器。它體積小，結(jié)實，可齊平安裝在機翼表 面，尾翼前緣、風擋、天線、雷達罩這些位置。裝置穩(wěn)定，測量精度高。此裝置的缺點是測量精 度受到壓電材料、傳感器的結(jié)構等影響，材料的品質(zhì)因數(shù)不同也導致同樣條件下測量范圍 受到限制。
[0007] 綜上，現(xiàn)有的結(jié)冰傳感器大多數(shù)只提供結(jié)冰閾值信號，不能實時有效地監(jiān)控冰層 的厚度，且靈敏度低，體積、質(zhì)量較大，難以適應傳感器微型化、智能化的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的結(jié)冰傳感器大多數(shù)只提供結(jié)冰閾值信號，不能實時有效地 監(jiān)控冰層的厚度，且靈敏度低，體積、質(zhì)量較大，難以適應傳感器微型化、智能化要求的問 題，提供了一種壓電式振動筒結(jié)冰傳感器。 本發(fā)明采用如下的技術方案實現(xiàn)： 一種壓電激勵振動筒結(jié)冰傳感器，包括振動筒、筒座組件以及電路板組件，以振動筒為 諧振敏感元件，振動筒內(nèi)壁應力集中的邊緣沿振動筒徑向方向呈180°粘貼有兩個壓電陶瓷 片，壓電陶瓷片在正電極焊接漆包導線通過焊接在振動筒的諧振膜底部的絕緣子引出連接 電路板組件，兩個壓電陶瓷片分別作為壓電激勵元件和壓電拾取元件;壓電陶瓷片上方的 振動筒內(nèi)壁生長一層絕緣導熱膜，然后在絕緣導熱膜上生長一層電熱膜，電熱膜兩端裝有 銀電極(4)，銀電極焊接漆包導線通過焊接在諧振膜底部的絕緣子引出連接電路板組件。
[0009] 筒座組件采用與振動筒相同的恒彈性材料，筒座組件與振動筒通過連接套環(huán)(6) 真空電子束焊接，電路板組件(9)由螺釘固定于筒座組件(7)上。
[0010] 壓電激勵振動筒結(jié)冰傳感器測量結(jié)冰情況的方法，其特征在于:冰層厚度d由以下 公式求得：
R為結(jié)冰后振動筒外徑，r為未結(jié)冰時振動筒外徑，k為比例因子，氣為振動筒質(zhì)量，.?為 振動筒固有頻率，Η為振動筒長度，夕為冰的密度， 當探頭表面結(jié)有冰層時，探頭的固有頻率務會隨著冰層的加厚而成比例降低。比例因 子k為常數(shù)，根據(jù)每個傳感器在固有頻率確定;通過固有頻率的變化量得出冰層的厚度，當 激振電路的諧振頻率減小到閾值f時，自動接通傳感器的加熱電路進行除冰，直到諧振頻率 恢復到無結(jié)冰狀態(tài)的值時，自動斷開加熱電路，停止加熱，電路組件通過采集頻率變化數(shù) 據(jù)，解算結(jié)冰速度。
[0011] 本發(fā)明采用振動筒作為探測冰層厚度的敏感元件，能通過振動筒的振動頻率實時 測量冰層厚度。結(jié)冰改變振動筒的等效質(zhì)量，從而改變其固有頻率。通過檢測振動筒的固有 頻率就可以實現(xiàn)對冰層厚度的測量。
[0012] 接通電路后，振動筒在激振壓電片的作用下產(chǎn)生振動，振動頻率通過拾振壓電片 正反饋給激振電路，使激振電路諧振于探頭的軸向固有頻率上，當探頭表面結(jié)有冰層時，振 動筒等效質(zhì)量發(fā)生變化，其固有頻率會隨著冰層的變化而改變，因此通過固有頻率的變化 量就可以得出冰層的厚度。
[0013] 本發(fā)明精度高，可靠性好，體積小、功耗低、結(jié)構簡單，易于生產(chǎn)不易受到外界磁場 的影響，且近年來振動筒傳感器尺寸不斷減小，能滿足傳感器小型化的要求。振動筒作為彈 性諧振元件，具有功耗低、輸出信號的信噪比高、抗干擾性強、測量重復性好、遲滯誤差小等 諸多優(yōu)點。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明結(jié)構不意圖， 圖中：1-振動筒,2-絕緣導熱膜,3-電熱膜,4-銀電極,5-壓電陶瓷片,6-連接套環(huán),7-筒 座組件，8-螺釘，9-電路板組件。
【具體實施方式】
[0015]如圖1所示，壓電激勵振動筒結(jié)冰傳感器，包括振動筒1、筒座組件7以及電路板組 件9,以振動筒1為諧振敏感元件，振動筒1內(nèi)壁應力集中的邊緣沿振動筒徑向方向呈180°采 用導電環(huán)氧膠粘貼有兩個壓電陶瓷片5,壓電陶瓷片5在正電極焊接漆包導線通過焊接在振 動筒的諧振膜底部的絕緣子引出連接電路板組件，兩個壓電陶瓷片分別作為壓電激勵元件 和壓電拾取元件;壓電陶瓷片5上方的振動筒1內(nèi)壁生長一層絕緣導熱膜2,然后在絕緣導熱 膜2上生長一層電熱膜3,電熱膜3