CN110017800A - 一种检测结冰厚度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种检测结冰厚度的方法及装置，包括：将传感器等效为欠阻尼的二阶系统；当需要检测结冰厚度大小状态信息时，才对传感器输入一个脉冲激励信号，检测和分析传感器系统对脉冲输入激励信号的输出响应信号。由于传感器表面结冰厚度的大小会不同程度地改变此二阶系统的基本参数，传感器系统的输出响应信号之多个特征会发生相应的改变，检测和分析出这些特征的变化，可获得结冰厚度大小信息。对传感器系统施加输入脉冲激励信号，还可有若干不同工作模式可供选择。本发明可大大延长传感器工作寿命，通过检测传感器输出响应信号的多种特征，实现对结冰厚度检测，检测准确、可靠，有若干不同工作模式可供选择，传感器的应用更为灵活和方便。

Description

一种检测结冰厚度的方法及装置

技术领域

本发明涉及传感器和信号检测及分析技术领域，更具体地，涉及一种检测结冰厚度的方法及装置。

背景技术

结冰是广泛存在的现象，且有些结冰现象是危害于人类生产和生活的，例如各种道路路面上的结冰，特别是数个毫米以下的薄冰，在交通行业称之为“黑冰”，司乘人员很难肉眼察觉，车辆高速驶入结冰路面，就会造成车辆打滑跑飞而引起恶性交通事故。这种交通安全事故不仅在我国北部寒冷地区发生，在我国长江中下游广大地区也会发生。各种飞行器飞行时若遭遇结冰云雾环境条件，会在机翼或旋翼、发动机进口部位等发生结冰，并会导致严重的飞行安全事故。中外航空史上，就发生过多次因结冰引起的恶性空难事故。各种冷冻设备，当蒸发器上发生结冰时，由于冰是不良传热体，因此，结冰会严重降低制冷效果，造成能源消耗的增加。风力机叶片结冰后，会造成风力机发电效率降低，结冰严重时，还会造成叶片不对称振动进而导致风力机垮塌。

在上述领域，应用结冰传感器技术及产品，可以在结冰初始发生时刻，就提前发出结冰告警信号，为防冰系统、除冰系统的启动工作提供关键的输入信号，此告警信号也可提示相关人员立即采取相应的防护措施，以大大减少发生严重结冰事故的风险。然而，仔细分析现有的结冰传感器技术，会发现这些技术各有不同的不足之处，以下重点对若干技术说明如下。

专利号为ZL 201120145252.5的专利，提出了一种光纤式结冰传感器技术，其有着灵敏度高、敏感元体积小、信号传输电磁兼容性良好等重要优势，但也存在着敏感元耐受脏污性能低的问题，仅适合于应用于飞行器、风力机等环境相对干净、结冰相对单纯的领域。

申请号为CN200610125132.2的发明专利，提出了一种压电谐振膜片式结冰传感器技术，但其不足之处主要为：传感器的激励输入是与传感器的振动信号输出相连接而构成自激震荡的正反馈系统工作模式，则当传感器激励和检测电路电源供电开启，传感器就会一直处于工作状态，这显然耗电较大，且传感器一直处于工作状态，不利于其延长寿命。而实际应用中，大量存在着这样的需求情形：需要检测结冰信号时，才使传感器工作，而其余时间可让传感器处于休眠状态，这样，可提高传感器寿命。

申请号为CN201410140524.0的发明专利，其虽然提出了不同于谐振工作模式的扫频工作方法，但扫频方法需要对传感器工作频率波段内的多个频率进行扫描检测，从信号分析的专业角度来说，这种方法是属于频率域的频率响应峰值的求解方法，其存在着方法原理性的不足：需要的信号分析处理时间较长，导致传感器的实时检测性能下降；扫描及信号检测的硬件电路也较为复杂，软件编程工作量也较大。另外，此专利中也没有提出间断扫描的技术方法，其专利中所述传感器处于一直工作的状态。

申请号为CN201420249254.2的发明专利，仅仅只在申请号为CN201410140524.0的发明专利中，提出了在传感器中增加了加热机制，其它技术方面亦并无重大创新和改变。

分析上述发明专利中的不足和缺陷，并考虑结冰传感器在某些实际应用领域中，如公路冰雪监测、飞行器结冰探测、风力机结冰监测等，事关人员生命安全和财产巨大损失，有必要对上述存在的不足和缺陷进行改进，特别是在延长传感器寿命方面，提出原始创新技术方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有平膜结冰传感器专利技术中存在的诸多不足：自激震荡式方法难以延长工作寿命；频率扫描式方法信号电子电路复杂、信号检测及分析软件编程工作量较大的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种检测结冰厚度的装置，包括：由压电单元和振动膜片组成的传感器，所述振动膜片随着压电单元的形变而振动；

所述压电单元的一面与所述金属膜片连接，所述压电单元的另一面接收电压激励信号，所述电压激励信号使压电单元产生逆向压电效应，所述压电单元产生形变并带动所述振动膜片振动；

所述振动膜片振动对所述压电单元产生正向压电效应，使得所述压电单元产生对应的振动电信号，所述振动电信号以传感器的谐振频率震荡且幅度以一定指数形式衰减下降；当所述传感器表面上有结冰产生时，所述振动电信号的峰值幅度相比未结冰时的峰值幅度下降、所述振动电信号相对时间坐标轴的面积相比未结冰时振动电信号相对时间坐标轴的面积减小、所述振动电信号的谐振频率相比未结冰时的谐振频率增大或所述振动电信号的衰减速度相比未结冰时的衰减速度增加，所述结冰厚度与所述峰值幅度的下降值、振动电信号相对时间坐标轴的面积的减小值、所述谐振频率的增大值以及所述衰减速度的增加值均呈一定确定的关系。

所述传感器还包括：激励电极和检测电极；

所述激励电极位于所述压电单元另一面的一侧，用于接收所述电压激励信号；

所述检测电极位于所述压电单元另一面的另一侧，用于将振动膜片振动时对压电单元产生的正向压电效应转化为对应的振动电信号。

该装置还包括：支撑壳体；所述支撑壳体用于支撑所述传感器。

可选地，所述振动膜片为金属膜片。

可选地，所述电压激励信号采用如下三种方式之一输入到所述压电单元：

以预设固定时间间隔将所述电压激励信号输入到所述压电单元；

由用户根据实际需求将所述电压激励信号输入到所述压电单元；

当检测到所述传感器所在环境的温度低于预定温度值时，将所述电压激励信号输入到所述压电单元。

第二方面，本发明提供一种检测结冰厚度的方法，所述方法应用于包括相连接的压电单元和振动膜片的传感器，所述振动膜片随着压电单元的形变而振动，包括如下步骤：

向压电单元输入电压激励信号，所述电压激励信号使压电单元产生逆向压电效应，所述压电单元产生形变并带动所述振动膜片振动，所述振动膜片振动对所述压电单元产生正向压电效应，使得所述压电单元产生对应的振动电信号，所述振动电信号以传感器的谐振频率震荡且幅度衰减下降；

检测所述振动电信号，若所述振动电信号的峰值幅度相比未结冰时的峰值幅度下降、所述振动电信号相对时间坐标轴的面积相比未结冰时振动电信号相对时间坐标轴的面积减小、所述振动电信号的谐振频率相比未结冰时的谐振频率增大或所述振动电信号的衰减速度相比未结冰时的衰减速度增加，则所述传感器表面上就有结冰产生；所述结冰厚度与所述峰值幅度的下降值、振动电信号相对时间坐标轴的面积的减小值、所述谐振频率的增加值以及所述衰减速度的增加值呈一定确定的关系。

可选地，所述振动膜片为金属膜片。

可选地，所述电压激励信号采用如下三种方式之一输入到所述压电单元：

以预设固定时间间隔将所述电压激励信号输入到所述压电单元；

由用户根据实际需求将所述电压激励信号输入到所述压电单元；

当检测到所述传感器所在环境的温度低于预定温度值时，将所述电压激励信号输入到所述压电单元。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明方法从信号分析专业角度说，是时间域直接求解方法，相比于上述频率域方法有着方法上的本质不同，具有多个技术优势：结冰信息求解速度快；可通过检测传感器输出响应信号的多种特征，来实现对结冰厚度大小信息的检测，结冰检测更为容易，也更为准确和可靠；对传感器系统施加输入脉冲的激励，可有若干工作模式可选择，传感器的应用更为灵活和方便。本发明提供的检测结冰厚度的方法及装置可以在需要时，才启动传感器的工作，不需要时，让传感器处于休眠状态，可大大延长传感器工作寿命。

附图说明

图1为本发明提供的结冰厚度检测装置结构图；

图2为本发明提供的结冰厚度检测装置输入信号-输出信号响应关系图；

图3a为本发明提供的电压激励信号示意图；

图3b为本发明提供的传感器的二阶系统脉冲响应振动电信号示意图；

图4a为本发明提供的传感器无结冰时的二阶系统脉冲响应振动电信号示意图；

图4b为本发明提供的传感器较小厚度结冰时的二阶系统脉冲响应振动电信号示意图；

图4c为本发明提供的传感器较大厚度结冰时的二阶系统脉冲响应振动电信号示意图；

图5为本发明提供的传感器一种工作模式的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1是振动膜片，2是压电单元，3是金属支撑壳体，4是压电单元的振动信号检测电极的信号引出线，5是传感器信号参考地，6是压电单元的振动信号检测电极，7是压电单元的振动激励电极，8是压电单元振动激励电极的信号引出线，9是传感器等效的双端口系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的创新内容为：针对现有压电平膜结冰传感器谐振式工作模式和频率扫描工作模式存在的上述问题，提出传感器脉冲响应信号检测及分析的新方法来获取结冰信息，即首先将传感器等效为欠阻尼的二阶系统，然后以某个固定的时间间隔，或是根据需要时，向传感器系统激励电极施加一个宽度很窄的脉冲激励信号，然后检测传感器的脉冲响应信号并对信号若干特征进行分析，就能可靠地获得结冰传感器表面一定结冰厚度范围内的结冰信息。

为清晰描述本发明内容，更为严谨说明本发明所依据的系统及信号的相关科学理论，以下分若干逻辑层次展开具体的描述说明：第一，传感器结构及其等效为二阶系统的说明；第二，二阶系统脉冲响应信号及其信号特征随其参数变化而相应改变的说明；第三，结冰对二阶系统参数的改变效应以及不同结冰厚度输出响应信号特征的变化说明；第四，本发明对结冰厚度检测的新方法。第五，对传感器系统施加输入脉冲激励若干工作模式的说明。

第一，传感器结构及其等效为二阶系统的说明。

图1所示为结冰传感器(以下统一简称“传感器”)结构横截面简要示意图，图中1是传感器的振动膜片，可以是金属敏感膜片，2是压电单元，2用导电胶粘接于金属膜片1之下。3是传感器金属支撑壳体，4是压电单元的振动信号检测电极的信号引出线，5是传感器信号参考地，其从金属壳体上引出；如上所述，由于压电单元的一面是用导电胶粘接于金属膜片，所以，从金属壳体上引出的导线就可成为压电单元的参考地。6是压电单元的振动信号检测电极，7是压电单元的振动激励电极，8是压电单元振动激励电极的信号引出线。

根据系统及信号的科学理论，上述传感器可等效为一个双端口系统(也可称为信号系统，以下简称系统)，其压电单元的振动激励电极7为系统输入，即当在此电极引出线上8施加一个电压信号时，压电单元2在逆压电效应作用下，产生变形并带动金属膜片1振动；金属膜片的振动又会对压电单元产生正向压电效应，从而在压电单元的另一个电极6上产生电信号，则在压电单元的振动信号检测电极的信号引出线4上，可获得振动电信号。这样，压电单元的振动信号检测电极就为系统的输出。压电单元连接于传感器金属膜片的另一面电极则为系统参考地。此双端口系统如图2所示，其中9则是将传感器等效的双端口系统。X则是系统的输入信号，Y则是相应的输出响应信号。

由于上述传感器构成的系统具有三个基本的要素(参数)：质量：无结冰时，由金属膜片和压电单元质量而复合而成的等效质量；有结冰时，还包括冰层附加的质量。刚度：由金属膜片和压电单元所构成的对振动变形的复合刚度；当有结冰时，冰层也参与刚度的机制从而使系统复合刚度显著增加。阻尼：无结冰时，由金属膜片和压电单元构成的复合阻尼，其主要机理是金属膜片和压电单元在振动交变变形时，材料内部的摩擦效应；有结冰时，还包括结冰层附加的阻尼。但无论有否结冰，传感器的阻尼都很小。因此，具有这3个参数的传感器，可等效为一个欠阻尼的二阶系统。

第二，二阶系统脉冲响应信号及其信号特征随其参数变化而相应改变的说明。

根据二阶系统信号理论，当二阶系统输入为脉冲信号X时，其相应的输出脉冲响应信号的基本形态为曲线Y，如图3a和3b所示。

对上述响应信号曲线形态的基本描述为：由于传感器是一个欠阻尼的二阶系统，故输出响应曲线为一个以其谐振频率震荡但又衰减下降的曲线形式。此响应输出信号具有如下特征：响应幅度，可以图中H所标注的高度来代表，也可以图中曲线对横坐标的面积S的大小来代表；衰减震荡的震荡谐振频率，如图3b中所标注的Fr；衰减震荡下降的快慢，即图中标注为blx的虚线为衰减震荡包络线，该包络线为一指数形式，衰减震荡下降的快慢即为此指数曲线衰减的快慢。

二阶系统还具有这样的基本特性：当系统的质量增加时，二阶系统的谐振频率会下降；当系统的刚度增加时，二阶系统的谐振频率会升高，但振动响应幅度会减小；当系统的阻尼增加时，二阶系统的谐振频率会减小，衰减震荡下降速度也会加快。

第三，结冰对二阶系统参数的改变效应以及不同结冰厚度输出响应信号特征参数的变化说明。

当传感器表面有结冰发生时，结冰冰层对传感器的二阶系统的参数改变来说，是导致质量、刚度和阻尼都所有增加；冰层厚度越大，对系统质量、刚度和阻尼的增加越大。

理论及实际均表明，冰层引起系统刚度大幅增加导致谐振频率上升的效应要大于质量增加导致谐振频率下降的效应，因此，有结冰发生后，系统响应曲线的谐振频率会上升；但刚度的增加会导致输出响应信号幅度的明显下降。

图4a给出了无结冰、图4b给出了有较小厚度结冰以及图4c给出了较大厚度结冰状态时，传感器系统的三种输出响应曲线。

如图4a-图4c所示，当在t₀时刻需要检测结冰状态信息时，传感器的电子电路系统(包括软件)就向传感器系统发出一个幅度为A的脉冲信号，传感器系统会输出相应的响应信号。图4a-图4c中给出了传感器表面无结冰、有较小厚度结冰以及有较厚结冰时的传感器系统输出响应曲线，分别为Y1、Y2和Y3所示。

比较曲线Y1、Y2和Y3可以清楚看到，传感器系统输出响应信号的特征发生如下的变化：

结冰厚度越大，系统响应幅度越小，这个变化可以通过曲线第一个峰值幅度来检测，即H1-3幅度(较大厚度结冰)≤H1-2幅度(较小厚度结冰)≤H1-1幅度(无结冰)。

结冰厚度越大，系统响应幅度越小，还可通过传感器响应信号曲线对横坐标轴的面积来检测，即S3面积(较大厚度结冰)≤S2面积(较小厚度结冰)≤S1面积(无结冰)。

结冰厚度越大，系统谐振频率越大，即Fr3(较大厚度结冰)≥Fr2(较小厚度结冰)≥Fr1(无结冰)。

结冰厚度越大，系统震荡衰减越快，即包络线blx3下降速度(较大厚度结冰)≥包络线blx2下降速度(较小厚度结冰)≥包络线blx1下降速度(无结冰)。

第四，本发明对结冰厚度检测新方法的描述。

基于上述说明，本发明提出的压电平膜结冰传感器的基于脉冲响应信号检测及分析方法实现结冰厚度状态信息获取的新方法可描述为：当不需要检测结冰状态信息时，可不向传感器输入任何输入信号，传感器处于休眠状态，这可以大大减少传感器的损耗并进而延长传感器的工作寿命；需要检测结冰状态信息时，就向传感器系统发出一个窄脉冲输入信号，然后可通过如下检测来实现对结冰厚度状态信息的获取：

检测传感器响应信号的第一个波峰幅度，其越小，说明结冰厚度越大；

或检测传感器响应信号曲线对横坐标轴的面积，其越小，说明结冰厚度越大；

或检测传感器响应信号衰减震荡的谐振频率，其越大，说明结冰厚度越大；

或检测传感器响应信号震荡衰减的快慢，其越快，说明结冰厚度越大；

或检测任何能够反映结冰厚度大小的响应曲线上的其它特征。

须强调的是，本发明方法还可组合以上任意2种、3种或同时检测4种以及其它多种特征参数，进行结冰检测，以提高结冰检测准确性和可靠性。

第五，对传感器系统施加输入脉冲激励若干工作模式的说明。

本发明提出对传感器系统施加输入脉冲激励信号的模式可为以下几种：

固定时间间隔的自动模式：由一个自动控制电路以某一个固定时间间隔自动发出脉冲激励输入信号。

手动间隔模式：由人工手动控制脉冲激励输入信号的发出，即相关操作人员需要对结冰进行检测时，才手动按压一个按钮，产生一个脉冲输入给传感器系统。

事件触发工作模式：在传感器的应用中，当某一个外部事件发生时，才触发相关电路发出一个或几个脉冲激励输入信号。常用的外部事件是，被检测对象的温度是否低于某个温度而有结冰的可能。例如，可在结冰检测信息系统中设置一个温度检测机制，当被检测对象的温度低于预定温度，例如2℃这个事件发生时，就触发相关电路产生一个或几个脉冲激励输入信号，进行结冰的检测。

综上所述，本发明具有明显的技术优势为：可以在需要时，才启动传感器的工作，不需要时，让传感器处于休眠状态，可大大延长传感器工作寿命；可以通过检测传感器输出响应信号的多种特征，来实现对结冰厚度大小信息的检测，结冰检测更为容易，也更为准确和可靠；对传感器系统施加输入脉冲的激励，可有若干工作模式可选择，传感器的应用更为灵活和方便。

以下以固定时间间隔自动模式工作的结冰厚度状态检测的例子，描述本发明工作模式的一个具体实施方案。

上述具体实施方案的基本方案设计如图5所示。图中5-1是一个以微处理器(有的称之为微控制器)为核心构成的测控电子系统(其中有测控软件)，在其数字端口I/O-i上，引出一个信号线5-2。在电子系统初始化中，将端口I/O-i置逻辑“0”信号。然后电子系统完成初始化之后并开始进行结冰检测时，就自动在数字端口I/O-i上，先输出一个逻辑“1”信号，然后立即再输出逻辑“0”，这样，就在这个端口上，产生了一个窄脉冲信号P。这样的操作每隔一个固定时间间隔就重复发生，如此循环，就实现了一个固定时间间隔自动模式的结冰检测。

图5中，5-3是一个将端口弱的脉冲信号放大至所需要的电压幅度较大且具有足够电流输出能力的转换电路。9即是上述的传感器系统，8是传感器系统激励信号线以引入激励信号X，4是传感器输出信号线以得到传感器输出响应信号Y。5-4是一个检测传感器系统输出响应信号曲线对横坐标面积的检测电路，其基本的组成是：第一单元为整流电路，将负向的波形整流为正向波形，第二单元为积分电路，将信号转化为直流以获得面积的大小信号。然后，此直流信号输入至测控电子系统的模拟/数字转换输入端口A/D上，由测控电子系统自动对此直流信号进行采集，并由软件对信号大小进行判断，从而实现对结冰厚度大小的检测。

由于电路5-3、5-4都是相关领域专业人员所熟知，故此处不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种检测结冰厚度的装置，其特征在于，包括：由压电单元和振动膜片组成的传感器，所述振动膜片随着压电单元的形变而振动；

所述压电单元的一面与所述金属膜片连接，所述压电单元的另一面接收电压激励信号，所述电压激励信号使压电单元产生逆向压电效应，所述压电单元产生形变并带动所述振动膜片振动；

所述振动膜片振动对所述压电单元产生正向压电效应，使得所述压电单元产生对应的振动电信号，所述振动电信号以传感器的谐振频率震荡且幅度以一定指数形式衰减下降；当所述传感器表面上有结冰产生时，所述振动电信号的峰值幅度相比未结冰时的峰值幅度下降、所述振动电信号相对时间坐标轴的面积相比未结冰时振动电信号相对时间坐标轴的面积减小、所述振动电信号的谐振频率相比未结冰时的谐振频率增大或所述振动电信号的衰减速度相比未结冰时的衰减速度增加，所述结冰厚度与所述峰值幅度的下降值、振动电信号相对时间坐标轴的面积的减小值、所述谐振频率的增大值以及所述衰减速度的增加值均呈一定确定的关系。

2.根据权利要求1所述的检测结冰厚度的装置，其特征在于，所述传感器还包括：激励电极和检测电极；

所述激励电极位于所述压电单元另一面的一侧，用于接收所述电压激励信号；

所述检测电极位于所述压电单元另一面的另一侧，用于将振动膜片振动时对压电单元产生的正向压电效应转化为对应的振动电信号。

3.根据权利要求1所述的检测结冰厚度的装置，其特征在于，还包括：支撑壳体；

所述支撑壳体用于支撑所述传感器。

4.根据权利要求1所述的检测结冰厚度的装置，其特征在于，所述振动膜片为金属膜片。

5.根据权利要求1至4任一项所述的检测结冰厚度的装置，其特征在于，所述电压激励信号采用如下三种方式之一输入到所述压电单元：

以预设固定时间间隔将所述电压激励信号输入到所述压电单元；

由用户根据实际需求将所述电压激励信号输入到所述压电单元；

当检测到所述传感器所在环境的温度低于预定温度值时，将所述电压激励信号输入到所述压电单元。

6.一种检测结冰厚度的方法，所述方法应用于包括相连接的压电单元和振动膜片的传感器，所述振动膜片随着压电单元的形变而振动，其特征在于，包括如下步骤：

向压电单元输入电压激励信号，所述电压激励信号使压电单元产生逆向压电效应，所述压电单元产生形变并带动所述振动膜片振动，所述振动膜片振动对所述压电单元产生正向压电效应，使得所述压电单元产生对应的振动电信号，所述振动电信号以传感器的谐振频率震荡且幅度以一定指数形式衰减下降；

检测所述振动电信号，若所述振动电信号的峰值幅度相比未结冰时的峰值幅度下降、所述振动电信号相对时间坐标轴的面积相比未结冰时振动电信号相对时间坐标轴的面积减小、所述振动电信号的谐振频率相比未结冰时的谐振频率增大或所述振动电信号的衰减速度相比未结冰时的衰减速度增加，则所述传感器表面上有结冰产生；所述结冰厚度与所述峰值幅度的下降值、振动电信号相对时间坐标轴的面积的减小值、所述谐振频率的增大值以及所述衰减速度的增加值均呈一定确定的关系。

7.根据权利要求6所述的检测结冰厚度的方法，其特征在于，所述振动膜片为金属膜片。

8.根据权利要求6或7所述的检测结冰厚度的方法，其特征在于，所述电压激励信号采用如下三种方式之一输入到所述压电单元：

以预设固定时间间隔将所述电压激励信号输入到所述压电单元；

由用户根据实际需求将所述电压激励信号输入到所述压电单元；

当检测到所述传感器所在环境的温度低于预定温度值时，将所述电压激励信号输入到所述压电单元。