压电式振动筒结冰传感器及其测量结冰情况的方法

摘要

本发明属于飞机结冰探测的技术领域，具体涉及一种压电式振动筒结冰传感器及其测量结冰情况的方法，解决了现有的结冰传感器大多数只提供结冰阈值信号，不能实时有效地监控冰层的厚度，且灵敏度低，体积、质量较大，难以适应传感器微型化、智能化要求的问题。包括振动筒，以振动筒为谐振敏感元件，振动筒内壁粘贴有两个压电陶瓷片，分别作为压电激励、拾取元件；振动筒内壁生长绝缘导热膜，绝缘导热膜上生长电热膜，电热膜两端装有银电极。结冰改变振动筒的等效质量，从而改变其固有频率。通过检测振动筒的固有频率实现对冰层厚度的测量。本发明精度高，可靠性好，体积小、功耗低、结构简单，易于生产不易受到外界磁场的影响。

说明书

技术领域

本发明属于飞机结冰探测的技术领域，具体涉及一种压电式振动筒结冰传感器及 其测量结冰情况的方法，安装在飞机易结冰的区域，以实时测量飞机的结冰情况。

背景技术

飞机结冰探测是飞机结冰防护系统的重要组成部分，是新型客机必备的关键设 备，是飞机先进性、经济性和安全性的体现。

飞机结冰不仅会引起飞机重量的增加，而且能使其气动外形受到破坏，导致飞行 阻力增加，操稳性能下降，结冰严重时，还可能出现严重的飞行事故。因此需要在飞机易产 生结冰的区域安装结冰传感器以实时测量飞机结冰的情况，并根据传感器所反馈的结冰信 息进行除冰控制系统的操作。

振动法结冰传感器是利用结冰能改变振动体振动频率这一原理对结冰进行探测 的，目前应用较多的主要是磁致伸缩结冰探测传感器和平膜式结冰传感器。该种传感器的 谐振电路产生交变磁场,振管在磁场的作用下产生磁致伸缩而振动,振动频率通过反馈 网络正反馈给激振电路,使谐振电路谐振于振管的轴向固有频率上,这样电路的谐振频 率就包含了振管轴向固有振动频率的信息,成为振管轴向固有振动频率的外部反映,从 而实现电路对其的检测。又根据振动学理论,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降低,因此通过检测谐振频率的偏移量Δf就可得出冰层的厚 度。

磁致伸缩结冰探测传感器强度高、可靠性好、性能稳定。缺点是自身需要加热，最 小检出冰层厚度还不十分灵敏。

平膜式结冰传感器一种基于压电陶瓷的压电效应和逆压电效应及固体的谐振频 率随着刚度和质量的变化而变化等原理的冰传感器。它体积小，结实，可齐平安装在机翼表 面，尾翼前缘、风挡、天线、雷达罩这些位置。装置稳定，测量精度高。此装置的缺点是测量精 度受到压电材料、传感器的结构等影响，材料的品质因数不同也导致同样条件下测量范围 受到限制。

综上，现有的结冰传感器大多数只提供结冰阈值信号，不能实时有效地监控冰层 的厚度，且灵敏度低，体积、质量较大，难以适应传感器微型化、智能化的要求。

发明内容

本发明为了解决现有的结冰传感器大多数只提供结冰阈值信号，不能实时有效地 监控冰层的厚度，且灵敏度低，体积、质量较大，难以适应传感器微型化、智能化要求的问 题，提供了一种压电式振动筒结冰传感器。

本发明采用如下的技术方案实现：

一种压电激励振动筒结冰传感器，包括振动筒、筒座组件以及电路板组件，以振动筒为 谐振敏感元件，振动筒内壁应力集中的边缘沿振动筒径向方向呈180°粘贴有两个压电陶瓷 片，压电陶瓷片在正电极焊接漆包导线通过焊接在振动筒的谐振膜底部的绝缘子引出连接 电路板组件，两个压电陶瓷片分别作为压电激励元件和压电拾取元件；压电陶瓷片上方的 振动筒内壁生长一层绝缘导热膜，然后在绝缘导热膜上生长一层电热膜，电热膜两端装有 银电极（4），银电极焊接漆包导线通过焊接在谐振膜底部的绝缘子引出连接电路板组件。

筒座组件采用与振动筒相同的恒弹性材料，筒座组件与振动筒通过连接套环（6） 真空电子束焊接，电路板组件（9）由螺钉固定于筒座组件（7）上。

压电激励振动筒结冰传感器测量结冰情况的方法，其特征在于:冰层厚度由以下 公式求得：

R为结冰后振动筒外径，r为未结冰时振动筒外径，k为比例因子，为振动筒质量，为 振动筒固有频率，H为振动筒长度，为冰的密度,

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降低。比例因 子k为常数，根据每个传感器在固有频率确定;通过固有频率的变化量得出冰层的厚度，当 激振电路的谐振频率减小到阈值时，自动接通传感器的加热电路进行除冰，直到谐振频率 恢复到无结冰状态的值时，自动断开加热电路，停止加热，电路组件通过采集频率变化数 据，解算结冰速度。

本发明采用振动筒作为探测冰层厚度的敏感元件，能通过振动筒的振动频率实时 测量冰层厚度。结冰改变振动筒的等效质量，从而改变其固有频率。通过检测振动筒的固有 频率就可以实现对冰层厚度的测量。

接通电路后，振动筒在激振压电片的作用下产生振动，振动频率通过拾振压电片 正反馈给激振电路，使激振电路谐振于探头的轴向固有频率上，当探头表面结有冰层时，振 动筒等效质量发生变化，其固有频率会随着冰层的变化而改变，因此通过固有频率的变化 量就可以得出冰层的厚度。

本发明精度高，可靠性好，体积小、功耗低、结构简单，易于生产不易受到外界磁场 的影响，且近年来振动筒传感器尺寸不断减小，能满足传感器小型化的要求。振动筒作为弹 性谐振元件，具有功耗低、输出信号的信噪比高、抗干扰性强、测量重复性好、迟滞误差小等 诸多优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图，

图中：1-振动筒,2-绝缘导热膜,3-电热膜,4-银电极,5-压电陶瓷片,6-连接套环,7-筒 座组件,8-螺钉,9-电路板组件。

具体实施方式

如图1所示，压电激励振动筒结冰传感器，包括振动筒1、筒座组件7以及电路板组 件9，以振动筒1为谐振敏感元件，振动筒1内壁应力集中的边缘沿振动筒径向方向呈180°采 用导电环氧胶粘贴有两个压电陶瓷片5，压电陶瓷片5在正电极焊接漆包导线通过焊接在振 动筒的谐振膜底部的绝缘子引出连接电路板组件，两个压电陶瓷片分别作为压电激励元件 和压电拾取元件；压电陶瓷片5上方的振动筒1内壁生长一层绝缘导热膜2，然后在绝缘导热 膜2上生长一层电热膜3，电热膜3两端装有银电极4，银电极4焊接漆包导线通过焊接在谐振 膜底部的绝缘子引出连接电路板组件。

筒座组件7采用与振动筒1相同的恒弹性材料，选择频率温度系数和弹性模量温度 系数极低的恒弹性合金,可以较好的消除温度应力，筒座与振动筒通过连接套环6真空电子 束焊接，可有效保证振动筒的稳定性。电路板组件9由螺钉8固定于筒座组件上。

压电激励振动筒结冰传感器是将振动筒作为传感器的探头，接通电路后，振动筒 在激振压电片的作用下产生振动，振动频率通过拾振压电片正反馈给激振电路，使激振电 路谐振于探头的轴向固有频率上，当探头表面结有冰层时，振动筒等效质量发生变化，其固 有频率会随着冰层的加厚而成比例的减小，因此通过固有频率的变化量就可以得出冰层的 厚度。当激振电路的谐振频率减小到阈值时，自动接通传感器的加热电路进行除冰，直到 谐振频率恢复到无结冰状态的值时，自动断开加热电路，停止加热。通过采集频率变化数 据，解算结冰速度。

振动筒结冰传感器为一正反馈的闭环谐振系统，当产品接通电源后，放大器中固 有噪声产生随机脉冲信号，该信号被加到激振压电片上，通过逆压电效应产生脉动力，迫使 筒壁变形，使振动筒以低振幅振动，拾振压电片感受筒体振动，并通过正压电效应产生电信 号，经放大、移相后，反馈回激励端激励筒体使其迅速进入大振幅的谐振状态直至幅值平 衡，振动筒以其谐振频率作等幅振动。当振筒表面结有冰层时，振动筒等效质量发生变化， 固有频率也随之变化，拾振压电片将感受的这一变化，转变为电信号送入放大电路经放大、 整形，输出与被测压力成一函数关系的频率信号。振动筒的固有频率会随着冰层的加厚而 成比例地减小，因此通过电路谐振频率的变化量就可以得出冰层的厚度。冰层厚度由以下 公式求得：

R为结冰后振动筒外径，r为未结冰时振动筒外径，k为比例因子，H为振动筒长度，为 冰的密度，为振动筒质量。

随着振动筒等效质量发生变化，其固有频率会随着冰层的加厚而成比例的减小， 因此通过固有频率的变化量就可以得出冰层的厚度。当激振电路的谐振频率减小到阈值时，自动接通传感器的加热电路进行除冰，直到谐振频率恢复到无结冰状态的值时，自动断 开加热电路，停止加热。电路组件通过采集频率变化数据，解算结冰速度。

实施例：振动筒内径r为12mm，振动筒质量m_g为15g，长度为60mm，为0.8g/cm³,此 传感器对应的比例因子k为8.0917×10⁴，无结冰状态下频率为25.00kHz，由以上公式可求 得结冰厚度d为0cm。当固有频率变化为18.677kHz时，可由公式计算得冰层厚度（公式中采 用长度单位为cm）：

当结冰厚度为1mm时，向电路板组件发送结冰告警信号，接通加热电路进行除冰。通过 采集从无结冰状态到结冰厚度为1mm这一过程中频率的变化速率，解算结冰速率。