CN109573057B - 一种基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及物面积冰检测技术，公开了一种基于等离子体的物面积冰传感器，包括安装于物面易积冰区域的传感装置，传感装置包括层叠贴附设于物面的下电极、绝缘层和上电极，还包括用于为传感装置提供电压的高压脉冲等离子体电源；还包括探测传感装置两端电压和通过传感装置电流的电压探测器和电流探测器；还包括动态分析单元，电压探测器和电流探测器连通于动态分析单元设置。本发明通过电压探测器和电流探测器对传感装置两端的电压值和电流值的监测，对比无冰条件下采集得到的原始数据值，实现结冰传感，同时，放电形态为介质阻挡放电的传感装置不仅具有较大的传感范围、且传感精度较高。
Description
技术领域
本发明涉及物面积冰检测技术领域，尤其涉及一种基于等离子体的物面积冰传感器及其使用方法。
背景技术
飞机表面在出现轻度结冰时会降低飞机的飞行性能，主要表现为升力下降、阻力增加、升阻比大幅下降等问题，这些问题会造成飞机飞行姿态控制困难，而威胁到飞机的飞行安全；在飞机表面出现严重结冰时，飞机甚至会在小迎角下出现失速而导致机毁人亡，因此，飞机飞行过程中的结冰传感和结冰预警对于提高各种气候条件下的飞行安全具有重要意义。
为了解决上述问题，公开号为CN106314800A的中国发明专利公开了一种基于等离子体冲击射流的破除冰方法，其在有除冰需求对象的易结冰区域中，与该易结冰区域物面平齐安装等离子体传感装置和结冰探测器，等离子体传感装置和结冰探测器均与一控制器连接，当结冰探测器探测到该易结冰区域物面发生结冰时，控制器控制位于该易结冰区域处的等离子体传感装置工作，并控制等离子体传感装置的放电功率、频率和工作时间，利用其产生的周期性高温高动压射流冲击冰层快速振动变形破裂，甚至直接击碎和融化冰层，进行破冰。
这种基于等离子体冲击射流的破除方法仅披露了结冰探测器的使用，却未披露结冰探测器的具体构造；而目前，对飞机结冰现象的探测主要依靠结冰信号器,该类信号器依据产品外形可以分为外伸式和内埋式两种；而根据所采用的关键技术可以分为放射线技术、热交换技术、谐振技术、磁滞伸缩技术、导电环技术，由于技术原理不同,因此在使用上各具特点,适用于各种不同机型的不同要求。
但是，上述传统信号器均具有一个较为明显的缺点，即这类结冰传感器的测量空间范围较窄，即使多个该类传感器配合使用，仍然难以实现易结冰区域的完整覆盖，进而导致测量精度不佳。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于等离子体的物面积冰传感器，其具有测量范围宽、测量精度高的优点
为实现上述技术目的，本发明提供的一种基于等离子体的物面积冰传感器，包括如下技术方案：
包括安装于物面易积冰区域的传感装置，其特征在于，所述传感装置包括层叠贴附设于物面的下电极、绝缘层和上电极，还包括用于为传感装置提供电压的高压脉冲等离子体电源，所述上电极连接于高压脉冲等离子体电源的正极，所述下电极连接于高压脉冲等离子体电源的负极；
还包括探测传感装置两端电压和通过传感装置电流的电压探测器和电流探测器；
还包括动态分析单元，所述电压探测器和电流探测器连通于动态分析单元设置。
通过采用上述技术方案，在物面易结冰区域安装上传感装置，并通过高压脉冲等离子体电源为传感装置提供电压，传感装置接通电源后，其放电形态为介质阻挡放电，而介质阻挡放电的放电特性受到环境的影响较大，在表面局部覆盖有积冰后，放电区域将受到明显的改变，此时，对于整个电路，电阻值随着积冰的产生的逐渐增大，通过电压探测器和电流探测器对传感装置两端电压值和电流值的实时监测，将测得的数据反馈至动态分析单元中，动态分析单元即可根据电压值和电流值的变化判断物面是否出现积冰；在实现对物面积冰传感监测的同时，表面介质阻挡具有放电面积大的优点，应用于易结冰区域较大的物面时，其具有传感覆盖范围广，结冰探测精准的优点。
在一些实施方式中，所述高压脉冲等离子体电源为低频高压短脉冲电源。
通过采用上述技术方案，选用低频高压短脉冲电源作为高压脉冲等离子体电源为传感装置提供电压，工作人员即能根据实际需要选择的调整供电参数，从而方便工作人员控制和使用传感装置。
在一些实施方式中，所述高压脉冲等离子体电源的输出频率为1-100Hz，脉冲峰峰值电压为3-5kV，脉冲上升沿50ns，脉宽范围为100ns，下降沿50ns。
通过采用上述技术方案，在实现介质阻挡放电的同时，维持传感装置的感应功能，不仅能够提高传感装置对易结冰部分监测的灵敏度，还能降低传感装置结冰传感功能的能耗，节约资源。
在一些实施方式中，所述绝缘层为耐高压绝缘介质，所述上电极和下电极均为带有防氧化保护层的金属电极，所述上电极和下电极的电阻率(20℃下)不大于1.75×10-8Ω·m。
通过采用上述技术方案，选择电阻率较小、导电性能更好的金属材料作为电极，同时，在上电极和下电极的金属电极部分外均包覆有防氧化保护层，从而提高金属电极暴露在自然环境中的使用寿命。
在一些实施方式中，所述上电极宽0.1-1mm，所述下电极宽5-10mm，所述上电极和下电极之间的垂直间隔不大于0mm，所述绝缘层的厚度为0.1-2mm，所述绝缘层四边与上电极或下电极各边最近距离不小于10mm。
通过采用上述技术方案，有利于产生大面积均匀的低温等离子体，可以扩大探测面积及灵敏性。
在一些实施方式中，所述绝缘介质相对介电常数为2-5。
通过采用上述技术方案，能够较好的利用放电能量，减少激励器发热，延长激励器寿命。
在一些实施方式中，所述动态分析单元包括信号采集单元，所述电压探测器和电流探测器包括电压探针和电流探针，所述信号采集单元连通电压探针和电压探针设置。
通过采用上述技术方案，在传感装置两端设置上电压探针和电流探针，实时检测传感装置中电压值和电流值的变化，并将电压值和电流值反馈至动态分析单元的信号采集单元中，从而获取传感装置实时监测物面易结冰区域的数据，方便动态分析单元判断物面是否结冰。
在一些实施方式中，所述动态分析单元还包括连通信号采集单元设置的处理单元，而所述处理单元连通告警器设置。
通过采用上述技术方案，连通信号采集单元设置的处理单元能够通过信号采集单元实时收集传感装置的传感数据，在判断物面出现结冰时，触发设置的告警器，提醒工作人员采取相应的措施，消除积冰。
本发明还提供了一种基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法，其具有能够准确收集原始数据，实现传感装置应用时实时对比判断的优点
一种基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法，包括以下步骤：
S1：原始数据的采集，选择并搭建好相应的实验设备，根据传感装置即将应用于的载体选取相应的实验载体，并将传感装置贴附于实验载体上，在低温、无冰条件下，分别利用高压脉冲等离子体电源就设定的参数给传感装置提供输入电压，测量该温度条件下的电压值、电流值，并将测得的电压值、电流值参数数据储存进动态分析单元中作为原始数据；
S2：将传感装置设置于载体的易结冰区域，通过高压脉冲等离子体电源持续为传感装置提供输入电压，并利用传感装置两端设置的电压探针和电流探针检测传感装置处的电压和电流变化，信号采集单元在采集显示测得的电压值和电流值后，将数据反馈至处理单元，处理单元将采集得到的数据与对应的原始数据实时对比；
S3：当测量得到的数据与对应的原始数据对比后，得出传感装置电流值低于动态分析单元中原始数据的电流值时，动态分析单元判断载体表面出现结冰现象，触发告警器；而在对比得出的传感装置电流值不低于动态分析单元中原始数据的电流值时，动态分析单元判断载体表面无结冰现象，高压脉冲等离子体电源保持电压输出。
在一些实施方式中，所述S1中，还包括如下的电压校正步骤：
A1：在实验载体易结冰位置放置模具，添加水，并置于冷凝箱中制冷，待易结冰区域产生厚冰后，利用高压脉冲等离子体电源激发传感装置，测得电压值作为对比数据；
其中，高压脉冲等离子体电源设定的参数与S1中相同；
A2：将A1所得的对比数据与无冰条件下测得的电压值进行对比，误差在1％以内则采用S1所得的原始数据，误差不小于1％时，调节高压脉冲等离子体电源电压，在无冰和有冰条件下分别再行测量，直至电压值误差小于1％；
A3：在误差校正完毕后，采用调节后的无冰条件下的电压值和电流值作为原始数据，再进行S2。
通过采用上述技术方案，在传感装置投入实际应用前，根据模拟结冰实验对比结冰情况下和无冰情况下测得的电压值，通过电压值的误差判断传感装置在积冰和无冰条件下的输入电压基本一致，从而提高传感装置后续投入实际生产后检测的精确性。
综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.通过电压探测器和电流探测器对传感装置两端的电压值和电流值的监测，对比无冰条件下采集得到的原始数据值，实现结冰传感，同时，放电形态为介质阻挡放电的传感装置不仅具有较大的传感范围、且传感精度较高；
2.通过模拟结冰环境，测量模拟结冰环境下传感装置处电压值，对比于无冰条件下传感装置处的电压值，通过对比校正传感装置在积冰和无冰条件下的输入电压的误差，提高传感精度。
附图说明
图1为本发明的基于等离子体的物面积冰传感器的传感装置及高压脉冲等离子体电源应用于翼型时的结构示意图；
图2为本发明基于等离子体的物面积冰传感器及其使用方法的模块图。
图中：1、翼型；11、物面凹槽；2、传感装置；21、下电极；22、绝缘层；221、条形槽；23、上电极；24、等离子体放电传播区域；3、高压脉冲等离子体电源；31、电流探测器；32、电压探测器；4、动态分析单元；41、信号采集单元；42、处理单元；5、告警器；6、主动除冰装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
一种基于等离子体的物面积冰传感器，如图1所示，包括安装于物面易积冰区域的传感装置2，这里，物面选用翼型1，易积冰区域为前缘，在前缘开有物面凹槽11，而传感装置2包括层叠贴附设置物面凹槽11中的下电极21、绝缘层22和上电极23，这里，上电极23和下电极21均为镀有防氧化保护层的铜电极(选择20℃下电阻率不大于1.75×10-8Ω·m的均可)，而绝缘层22为耐高压、耐高温聚酰亚胺，且其相对介电常数为4(选择相对介电常数在2-10之中的材料均可)，其中，防氧化保护层为石墨层；还包括高压脉冲等离子体电源3，且上电极23与高压脉冲等离子体电源3的正极连接，下电极21与高压脉冲等离子体电源3的下电极21连接，同时，在传感装置2处设置有用于探测传感装置2两端电压和通过传感装置2电流的电压探测器32和电流探测器31，且电流探测器31和电压探测器32连通设置有动态分析单元4。
这样，将传感装置2安放在翼型1的易积冰区域，通电后，放电形态为介质阻挡放电的传感装置2能够在其周围形成等离子体放电传播区域24，一旦该区域内有积冰形成，积冰会增大传感装置2处的电阻，在输入电压不发生变化的前提下，通过传感装置2的电流会出现减小，此时，一方面，电压探测器32的设置能够校对输入电压，避免由于输入电压的变化引起电流的变化而导致误判积冰情况，另一方面，电流探测器31的设置能够监测通过传感装置2的电流，并将数据是实时反馈至动态分析单元4，与动态分析单元4中预设的数值进行比较，从而判断安放有传感装置2的翼型1表面位置是否出现积冰，且该种传感装置2所形成的感应范围较大，并且可根据型面设计成蛇形、L拐角、O形、非对称型、分段等，即能适应不同部位的要求，又能达到大区域积冰探测的目的，同时，由于传感装置2一直保持低能耗通电状态，其能随时感应到电流的变化，从而实现实时监测，提高检测精度。
而为了实现传感装置2的低耗通电监测状态，高压脉冲等离子体电源3选用低频高压短脉冲电源，且其输出频率为1-100Hz，脉冲峰峰值电压为3-5kV，脉冲上升沿50ns，脉宽范围为100ns，下降沿50ns，本实施例中输出频率优选为100Hz，电压优选为5kV，脉冲上升沿50ns，脉宽范围为100ns，下降沿50ns。
另外，如图1所示，物面凹槽11在翼型1前缘处沿翼型1展向开设，下电极21埋在物面凹槽11槽底，绝缘层22完全包覆住下电极21设置，而在绝缘层22远离下电极21的一侧沿翼型1展向开有条形槽221，上电极23固定在条形槽221中，这里，下电极21宽度为5mm，上电极23宽度为0.1mm，且上电极23和下电极21在翼型1展向上的长度适应于物面凹槽11设置，而由于绝缘层22各边与上电极23和下电极21各边的最近距离不小于10mm，本实施例中优选为10mm，即绝缘层宽度为25mm，同时，其厚度为0.1mm，长度与物面凹槽11适配，且大于上电极23和下电极21长度20mm设置；另外，上电极23和下电极21之间的垂直间隔不大于0mm设置，这里，条形槽221的位置优选在绝缘层22中部开设。这样，通过上电极23、下电极21和绝缘层22的设置，形成介质阻挡放电，从而在上电极23周围形成大区域的等离子体放电传播区域24，配合低频高压短脉冲电源的设置，持续覆盖监测易积冰区域的积冰情况，从而利用大覆盖范围配合无间断性监测提高积冰检测的精确性。
而为了实现对电流、电压的探测，并判断传感装置2处是否出现积冰，如图2所示，动态分析单元4包括信号采集单元41，这里，信号采集单元41为示波器，而电流探测器31包括电流探针，电压探测器32包括电压探针，电流探针和电压探针连通信号采集单元41设置；而动态分析单元4还包括连通信号采集单元41设置的处理单元42，这里，处理单元42为处理终端(电脑)，且在处理单元42上连通有告警器5，这里，告警器5类型根据实际情况可选用警示灯、蜂鸣器等视觉报警器或声音报警器或视觉报警器和声音报警器的结合，同时，处理单元42上还连通有主动除冰装置6(选用现有技术中的任一主动除冰装置6即可，本实施例中不做赘述)。在通过电流探针实时监测经过传感装置2处的电流时，信号采集单元41(示波器)将电流探针测得的电流值进行收集，并传输至处理单元42，处理单元42将输入值与提前输入的判断值进行对比，得出翼型1表面是否积冰的判断结果，未出现积冰时，继续监测，而出现积冰时，同时触发告警器5和主动除冰装置6，在提醒工作人员翼型1表面出现积冰的同时，进行主动除冰，保证飞行安全。
上述基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法包括以下步骤：
S1：原始数据的采集，选择并搭建好相应的实验设备，根据传感装置2即将应用于的翼型1选取相应的实验翼型1，并将传感装置2贴附于实验翼型1上，在低温、无冰条件下，分别利用高压脉冲等离子体电源3就设定的参数给传感装置2提供输入电压，测量该温度条件下的电压值、电流值，并将测得的电压值、电流值参数数据储存进动态分析单元4中作为原始数据。
S2：将传感装置2设置于翼型1的易结冰区域，通过高压脉冲等离子体电源3持续为传感装置2提供输入电压，并利用传感装置2两端设置的电压探针和电流探针检测传感装置2处的电压电流变化，信号采集单元41在采集显示测得的电压值电流值后，将数据反馈至处理单元42，处理单元42将采集得到的数据与对应的原始数据实时对比。
S3：当测量得到的数据与对应的原始数据对比后，得出传感装置2电流值低于动态分析单元4中原始数据的电流值时，动态分析单元4判断载体表面出现结冰现象，触发告警器5和主动积冰装置，在提醒工作人员注意的情况下主动除冰，保障飞行安全；而在对比得出的传感装置2电流值域不低于动态分析单元4中原始数据的电流值时，动态分析单元4判断载体表面无结冰现象，高压脉冲等离子体电源3保持电压输出。
而为了避免电压输出误差，导致测得的电流值失去判断价值，甚至导致动态分析单元4误判而威胁飞行安全，上述基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法中，还包括如下的电压校正步骤：
A1：在实验翼型1易结冰位置放置模具，添加水，并置于冷凝箱中制冷，待易结冰区域产生厚冰后，利用高压脉冲等离子体电源3激发传感装置2，将测得电压值作为对比数据；
其中，高压脉冲等离子体电源3设定的参数与S1中相同。
A2：将A1所得的对比数据与无冰条件下测得的电压值进行对比，误差在1％以内则采用S1所得的原始数据，误差不小于1％时，调节高压脉冲等离子体电源3电压，在无冰和有冰条件下分别再行测量，直至电压值误差小于1％。
A3：在误差校正完毕后，采用调节后的无冰条件下的电压值和电流值作为原始数据，再进行S2。
另外，在使用示波器和电压探针监测使用时、输入传感装置2的电压值时，与设定值进行实时对比，一旦实际测量值偏离设定值时，动态分析单元4立刻控制高压脉冲等离子体电源3调节至设定值。
实施例1：
一种基于等离子体的物面积冰传感器，如图1所示，包括安装于物面易积冰区域的传感装置2，这里，物面选用翼型1，易积冰区域为前缘，在前缘开有物面凹槽11，而传感装置2包括层叠贴附设置物面凹槽11中的下电极21、绝缘层22和上电极23，这里，上电极23和下电极21均为镀有防氧化保护层的铜电极(选择20℃下电阻率不大于1.75×10-8Ω·m的均可)，而绝缘层22为耐高压、耐高温聚酰亚胺，且其相对介电常数为4(选择相对介电常数在2-10之中的材料均可)，其中，防氧化保护层为石墨层；还包括高压脉冲等离子体电源3，且上电极23与高压脉冲等离子体电源3的正极连接，下电极21与高压脉冲等离子体电源3的下电极21连接，同时，在传感装置2处设置有用于探测传感装置2两端电压和通过传感装置2电流的电压探测器32和电流探测器31，且电流探测器31和电压探测器32连通设置有动态分析单元4。
这样，将传感装置2安放在翼型1的易积冰区域，通电后，放电形态为介质阻挡放电的传感装置2能够在其周围形成等离子体放电传播区域24，一旦该区域内有积冰形成，积冰会增大传感装置2处的电阻，在输入电压不发生变化的前提下，通过传感装置2的电流会出现减小，此时，一方面，电压探测器32的设置能够校对输入电压，避免由于输入电压的变化引起电流的变化而导致误判积冰情况，另一方面，电流探测器31的设置能够监测通过传感装置2的电流，并将数据是实时反馈至动态分析单元4，与动态分析单元4中预设的数值进行比较，从而判断安放有传感装置2的翼型1表面位置是否出现积冰，且该种传感装置2所形成的感应范围较大，并且可根据型面设计成蛇形、L拐角、O形、非对称型、分段等，即能适应不同部位的要求，又能达到大区域积冰探测的目的，同时，由于传感装置2一直保持低能耗通电状态，其能随时感应到电流的变化，从而实现实时监测，提高检测精度。
而为了实现传感装置2的低耗通电监测状态，高压脉冲等离子体电源3选用低频高压短脉冲电源，且其输出频率为1-100Hz，脉冲峰峰值电压为3-5kV，脉冲上升沿50ns，脉宽范围为100ns，下降沿50ns，本实施例中输出频率优选为100Hz，电压优选为5kV，脉冲上升沿50ns，脉宽范围为100ns，下降沿50ns。
另外，如图1所示，物面凹槽11在翼型1前缘处沿翼型1展向开设，下电极21埋在物面凹槽11槽底，绝缘层22完全包覆住下电极21设置，而在绝缘层22远离下电极21的一侧沿翼型1展向开有条形槽221，上电极23固定在条形槽221中，这里，下电极21宽度为8mm，上电极23宽度为0.5mm，且上电极23和下电极21在翼型1展向上的长度适应于物面凹槽11设置，而由于绝缘层22各边与上电极23和下电极21各边的最近距离不小于10mm，本实施例中优选为10mm，即绝缘层宽度为28mm，同时，其厚度为0.1mm，长度与物面凹槽11适配，且大于上电极23和下电极21长度20mm设置；另外，上电极23和下电极21之间的垂直间隔不大于0mm设置，这里，条形槽221的位置优选在绝缘层22中部开设。这样，通过上电极23、下电极21和绝缘层22的设置，形成介质阻挡放电，从而在上电极23周围形成大区域的等离子体放电传播区域24，配合低频高压短脉冲电源的设置，持续覆盖监测易积冰区域的积冰情况，从而利用大覆盖范围配合无间断性监测提高积冰检测的精确性。
而为了实现对电流、电压的探测，并判断传感装置2处是否出现积冰，如图2所示，动态分析单元4包括信号采集单元41，这里，信号采集单元41为示波器，而电流探测器31包括电流探针，电压探测器32包括电压探针，电流探针和电压探针连通信号采集单元41设置；而动态分析单元4还包括连通信号采集单元41设置的处理单元42，这里，处理单元42为处理终端(电脑)，且在处理单元42上连通有告警器5，这里，告警器5类型根据实际情况可选用警示灯、蜂鸣器等视觉报警器或声音报警器或视觉报警器和声音报警器的结合，同时，处理单元42上还连通有主动除冰装置6(选用现有技术中的任一主动除冰装置6即可，本实施例中不做赘述)。在通过电流探针实时监测经过传感装置2处的电流时，信号采集单元41(示波器)将电流探针测得的电流值进行收集，并传输至处理单元42，处理单元42将输入值与提前输入的判断值进行对比，得出翼型1表面是否积冰的判断结果，未出现积冰时，继续监测，而出现积冰时，同时触发告警器5和主动除冰装置6，在提醒工作人员翼型1表面出现积冰的同时，进行主动除冰，保证飞行安全。
上述基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法包括以下步骤：
S1：原始数据的采集，选择并搭建好相应的实验设备，根据传感装置2即将应用于的翼型1选取相应的实验翼型1，并将传感装置2贴附于实验翼型1上，在低温、无冰条件下，分别利用高压脉冲等离子体电源3就设定的参数给传感装置2提供输入电压，测量该温度条件下的电压值、电流值，并将测得的电压值、电流值参数数据储存进动态分析单元4中作为原始数据。
S2：将传感装置2设置于翼型1的易结冰区域，通过高压脉冲等离子体电源3持续为传感装置2提供输入电压，并利用传感装置2两端设置的电压探针和电流探针检测传感装置2处的电压电流变化，信号采集单元41在采集显示测得的电压值电流值后，将数据反馈至处理单元42，处理单元42将采集得到的数据与对应的原始数据实时对比。
S3：当测量得到的数据与对应的原始数据对比后，得出传感装置2电流值低于动态分析单元4中原始数据的电流值时，动态分析单元4判断载体表面出现结冰现象，触发告警器5和主动积冰装置，在提醒工作人员注意的情况下主动除冰，保障飞行安全；而在对比得出的传感装置2电流值域不低于动态分析单元4中原始数据的电流值时，动态分析单元4判断载体表面无结冰现象，高压脉冲等离子体电源3保持电压输出。
而为了避免电压输出误差，导致测得的电流值失去判断价值，甚至导致动态分析单元4误判而威胁飞行安全，上述基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法中，还包括如下的电压校正步骤：
A1：在实验翼型1易结冰位置放置模具，添加水，并置于冷凝箱中制冷，待易结冰区域产生厚冰后，利用高压脉冲等离子体电源3激发传感装置2，将测得电压值作为对比数据；
其中，高压脉冲等离子体电源3设定的参数与S1中相同。
A2：将A1所得的对比数据与无冰条件下测得的电压值进行对比，误差在1％以内则采用S1所得的原始数据，误差不小于1％时，调节高压脉冲等离子体电源3电压，在无冰和有冰条件下分别再行测量，直至电压值误差小于1％。
A3：在误差校正完毕后，采用调节后的无冰条件下的电压值和电流值作为原始数据，再进行S2。
另外，在使用示波器和电压探针监测使用时、输入传感装置2的电压值时，与设定值进行实时对比，一旦实际测量值偏离设定值时，动态分析单元4立刻控制高压脉冲等离子体电源3调节至设定值。
实施例3：
一种基于等离子体的物面积冰传感器，如图1所示，包括安装于物面易积冰区域的传感装置2，这里，物面选用翼型1，易积冰区域为前缘，在前缘开有物面凹槽11，而传感装置2包括层叠贴附设置物面凹槽11中的下电极21、绝缘层22和上电极23，这里，上电极23和下电极21均为镀有防氧化保护层的铜电极(选择20℃下电阻率不大于1.75×10-8Ω·m的均可)，而绝缘层22为耐高压、耐高温聚酰亚胺，且其相对介电常数为4(选择相对介电常数在2-10之中的材料均可)，其中，防氧化保护层为石墨层；还包括高压脉冲等离子体电源3，且上电极23与高压脉冲等离子体电源3的正极连接，下电极21与高压脉冲等离子体电源3的下电极21连接，同时，在传感装置2处设置有用于探测传感装置2两端电压和通过传感装置2电流的电压探测器32和电流探测器31，且电流探测器31和电压探测器32连通设置有动态分析单元4。
这样，将传感装置2安放在翼型1的易积冰区域，通电后，放电形态为介质阻挡放电的传感装置2能够在其周围形成等离子体放电传播区域24，一旦该区域内有积冰形成，积冰会增大传感装置2处的电阻，在输入电压不发生变化的前提下，通过传感装置2的电流会出现减小，此时，一方面，电压探测器32的设置能够校对输入电压，避免由于输入电压的变化引起电流的变化而导致误判积冰情况，另一方面，电流探测器31的设置能够监测通过传感装置2的电流，并将数据是实时反馈至动态分析单元4，与动态分析单元4中预设的数值进行比较，从而判断安放有传感装置2的翼型1表面位置是否出现积冰，且该种传感装置2所形成的感应范围较大，并且可根据型面设计成蛇形、L拐角、O形、非对称型、分段等，即能适应不同部位的要求，又能达到大区域积冰探测的目的，同时，由于传感装置2一直保持低能耗通电状态，其能随时感应到电流的变化，从而实现实时监测，提高检测精度。
而为了实现传感装置2的低耗通电监测状态，高压脉冲等离子体电源3选用低频高压短脉冲电源，且其输出频率为1-100Hz，脉冲峰峰值电压为3-5kV，脉冲上升沿50ns，脉宽范围为100ns，下降沿50ns，本实施例中输出频率优选为100Hz，电压优选为5kV，脉冲上升沿50ns，脉宽范围为100ns，下降沿50ns。
另外，如图1所示，物面凹槽11在翼型1前缘处沿翼型1展向开设，下电极21埋在物面凹槽11槽底，绝缘层22完全包覆住下电极21设置，而在绝缘层22远离下电极21的一侧沿翼型1展向开有条形槽221，上电极23固定在条形槽221中，这里，下电极21宽度为10mm，上电极23宽度为1mm，且上电极23和下电极21在翼型1展向上的长度适应于物面凹槽11设置，而由于绝缘层22各边与上电极23和下电极21各边的最近距离不小于10mm，本实施例中优选为10mm，即绝缘层宽度为30mm，同时，其厚度为0.1mm，长度与物面凹槽11适配，且大于上电极23和下电极21长度20mm设置；另外，上电极23和下电极21之间的垂直间隔不大于0mm设置，这里，条形槽221的位置优选在绝缘层22中部开设。这样，通过上电极23、下电极21和绝缘层22的设置，形成介质阻挡放电，从而在上电极23周围形成大区域的等离子体放电传播区域24，配合低频高压短脉冲电源的设置，持续覆盖监测易积冰区域的积冰情况，从而利用大覆盖范围配合无间断性监测提高积冰检测的精确性。
而为了实现对电流、电压的探测，并判断传感装置2处是否出现积冰，如图2所示，动态分析单元4包括信号采集单元41，这里，信号采集单元41为示波器，而电流探测器31包括电流探针，电压探测器32包括电压探针，电流探针和电压探针连通信号采集单元41设置；而动态分析单元4还包括连通信号采集单元41设置的处理单元42，这里，处理单元42为处理终端(电脑)，且在处理单元42上连通有告警器5，这里，告警器5类型根据实际情况可选用警示灯、蜂鸣器等视觉报警器或声音报警器或视觉报警器和声音报警器的结合，同时，处理单元42上还连通有主动除冰装置6(选用现有技术中的任一主动除冰装置6即可，本实施例中不做赘述)。在通过电流探针实时监测经过传感装置2处的电流时，信号采集单元41(示波器)将电流探针测得的电流值进行收集，并传输至处理单元42，处理单元42将输入值与提前输入的判断值进行对比，得出翼型1表面是否积冰的判断结果，未出现积冰时，继续监测，而出现积冰时，同时触发告警器5和主动除冰装置6，在提醒工作人员翼型1表面出现积冰的同时，进行主动除冰，保证飞行安全。
上述基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法包括以下步骤：
S1：原始数据的采集，选择并搭建好相应的实验设备，根据传感装置2即将应用于的翼型1选取相应的实验翼型1，并将传感装置2贴附于实验翼型1上，在低温、无冰条件下，分别利用高压脉冲等离子体电源3就设定的参数给传感装置2提供输入电压，测量该温度条件下的电压值、电流值，并将测得的电压值、电流值参数数据储存进动态分析单元4中作为原始数据。
S2：将传感装置2设置于翼型1的易结冰区域，通过高压脉冲等离子体电源3持续为传感装置2提供输入电压，并利用传感装置2两端设置的电压探针和电流探针检测传感装置2处的电压电流变化，信号采集单元41在采集显示测得的电压值电流值后，将数据反馈至处理单元42，处理单元42将采集得到的数据与对应的原始数据实时对比。
S3：当测量得到的数据与对应的原始数据对比后，得出传感装置2电流值低于动态分析单元4中原始数据的电流值时，动态分析单元4判断载体表面出现结冰现象，触发告警器5和主动积冰装置，在提醒工作人员注意的情况下主动除冰，保障飞行安全；而在对比得出的传感装置2电流值域不低于动态分析单元4中原始数据的电流值时，动态分析单元4判断载体表面无结冰现象，高压脉冲等离子体电源3保持电压输出。
而为了避免电压输出误差，导致测得的电流值失去判断价值，甚至导致动态分析单元4误判而威胁飞行安全，上述基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法中，还包括如下的电压校正步骤：
A1：在实验翼型1易结冰位置放置模具，添加水，并置于冷凝箱中制冷，待易结冰区域产生厚冰后，利用高压脉冲等离子体电源3激发传感装置2，将测得电压值作为对比数据；
其中，高压脉冲等离子体电源3设定的参数与S1中相同。
A2：将A1所得的对比数据与无冰条件下测得的电压值进行对比，误差在1％以内则采用S1所得的原始数据，误差不小于1％时，调节高压脉冲等离子体电源3电压，在无冰和有冰条件下分别再行测量，直至电压值误差小于1％。
A3：在误差校正完毕后，采用调节后的无冰条件下的电压值和电流值作为原始数据，再进行S2。
另外，在使用示波器和电压探针监测使用时、输入传感装置2的电压值时，与设定值进行实时对比，一旦实际测量值偏离设定值时，动态分析单元4立刻控制高压脉冲等离子体电源3调节至设定值。
Claims (9)
1.一种基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法，其特征在于，所述等离子体的物面积冰传感器，包括安装于物面易积冰区域的传感装置（2），所述传感装置（2）包括层叠贴附设于物面的下电极（21）、绝缘层（22）和上电极（23），还包括用于为传感装置（2）提供电压的高压脉冲等离子体电源（3），所述上电极（23）连接于高压脉冲等离子体电源（3）的正极，所述下电极（21）连接于高压脉冲等离子体电源（3）的负极；
还包括探测传感装置（2）两端电压和通过传感装置（2）电流的电压探测器（32）和电流探测器（31）；
还包括动态分析单元（4），所述电压探测器（32）和电流探测器（31）连通于动态分析单元（4）设置；
所述电压探测器（32）还用于校对输入电压；
所述电流探测器（31）用于监测通过传感装置（2）的电流，并将数据实时反馈至所述动态分析单元（4）；
所述动态分析单元（4）用于将所述电流探测器（31）反馈的数据与预设的数值进行比较，从而判断所述物面是否出现积冰；
所述使用方法包括以下步骤：
S1：原始数据的采集，选择并搭建好相应的实验设备，根据传感装置（2）即将应用于的载体选取相应的实验载体，并将传感装置（2）贴附于实验载体上，在低温、无冰条件下，分别利用高压脉冲等离子体电源（3）就设定的参数给传感装置（2）提供输入电压，测量该温度条件下的电压值、电流值，并将测得的电压值、电流值参数数据储存进动态分析单元（4）中作为原始数据；
S2：将传感装置（2）设置于载体的易结冰区域，通过高压脉冲等离子体电源（3）持续为传感装置（2）提供输入电压，并利用传感装置（2）两端设置的电压探针和电流探针检测传感装置（2）处的电压和电流变化，信号采集单元（41）在采集显示测得的电压值和电流值后，将数据反馈至处理单元（42），处理单元（42）将采集得到的数据与对应的原始数据实时对比；
S3：当测量得到的数据与对应的原始数据对比后，得出传感装置（2）电流值低于动态分析单元（4）中原始数据的电流值时，动态分析单元（4）判断载体表面出现结冰现象，触发告警器（5）；而在对比得出的传感装置（2）电流值不低于动态分析单元（4）中原始数据的电流值时，动态分析单元（4）判断载体表面无结冰现象，高压脉冲等离子体电源（3）保持电压输出。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法，其特征在于，所述S1中，还包括如下的电压校正步骤：
A1：在实验载体易结冰位置放置模具，添加水，并置于冷凝箱中制冷，待易结冰区域产生厚冰后，利用高压脉冲等离子体电源（3）激发传感装置（2），测得电压值作为对比数据；
其中，高压脉冲等离子体电源（3）设定的参数与S1中相同；
A2：将A1所得的对比数据与无冰条件下测得的电压值进行对比，误差在1%以内则采用S1所得的原始数据，误差不小于1%时，调节高压脉冲等离子体电源（3）电压，在无冰和有冰条件下分别再行测量，直至电压值误差小于1%；
A3：在误差校正完毕后，采用调节后的无冰条件下的电压值和电流值作为原始数据，再进行S2。
3.根据权利要求2所述的基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法，其特征在于，所述高压脉冲等离子体电源（3）为低频高压短脉冲电源。
4.根据权利要求3所述的基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法，其特征在于，所述高压脉冲等离子体电源（3）的输出频率为1-100Hz，脉冲峰值电压为3-5kV，脉冲上升沿50ns，脉宽范围为100ns，下降沿50ns。
5.根据权利要求4所述的基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法，其特征在于，所述绝缘层（22）为耐高压绝缘介质，所述上电极（23）和下电极（21）均为带有防氧化保护层的金属电极，所述上电极（23）和下电极（21）的电阻率（20℃）不大于1.75×10-8Ω·m。
6.根据权利要求5所述的基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法，其特征在于，所述上电极（23）宽0.1-1mm，所述下电极（21）宽5-10mm，所述上电极（23）和下电极（21）之间的垂直间隔不大于0mm，所述绝缘层（22）的厚度为0.1-2mm，所述绝缘层（22）四边与上电极（23）或下电极（21）各边最近距离不小于10mm。
7.根据权利要求6所述的基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法，其特征在于，所述绝缘介质相对介电常数为2-5。
8.根据权利要求7所述的基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法，其特征在于，所述动态分析单元（4）包括信号采集单元（41），所述电压探测器（32）和电流探测器（31）包括电压探针和电流探针，所述信号采集单元（41）连通电压探针和电压探针设置。
9.根据权利要求8所述的基于等离子体的物面积冰传感器的使用方法，其特征在于，所述动态分析单元（4）还包括连通信号采集单元（41）设置的处理单元（42），而所述处理单元（42）连通告警器（5）设置。
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| GR01 | Patent grant | ||
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