CN110879127A - 一种基于翼面的耦合式结冰探测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于翼面的耦合式结冰探测装置及其方法，在耦合两种或者两种以上结冰探测方法的基础上，以探索复杂曲面的结冰探测问题为目的，在保证蒙皮正常性能的前提下，通过在容易结冰的区域表面安装多个结冰传感器，以此来提高复杂表面结冰探测的准确性和精度，可以为低能耗的防除冰提供准确的结冰信息输入，并且可以同时测量大/小尺度过冷水滴结冰的区分问题；本发明中的结冰探测对象可以是直升机旋翼叶片、旋翼飞机螺旋桨叶片、固定翼飞机的机翼和尾翼表面，可以是风力机的叶片表面、输电导线表面，或者是高速列车等其它国民经济相关装备需要结冰探测的部件迎风表面，具有适应性好、应用范围广的优点。

Description

一种基于翼面的耦合式结冰探测装置及其方法

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，具体涉及到结冰风洞试验中基于翼面的耦合式结冰探测装置及其方法。

背景技术

结冰是飞行实践中广泛存在的一种物理现象，其是造成飞行安全事故的主要隐患之一。当飞机在环境温度低于冰点或在冰点附近的结冰气象条件下飞行时，大气中的过冷水滴撞击到飞机部件表面，会在机翼、尾翼、旋翼、进气道、风挡玻璃、天线罩、仪表传感器等部件表面发生结冰现象。飞机结冰不仅增加了飞机的重量，而且破坏了飞机表面的气动外形，改变了绕流流场，破坏了气动性能，造成飞机最大升力下降、飞行阻力上升、操作性能下降、稳定性能降低，对飞行安全造成了很大的威胁。因结冰而引发的飞行事故屡见不鲜，严重的结冰甚至可以导致机毁人亡。如果能准确的探测飞机关键部位的结冰，将可以较大程度的避免飞行事故，因此，飞行器的结冰探测具有重要的现实意义和价值。

英国在2003年首次开发出光纤结冰传感器，瑞典Vibro-Meter首次研制出平膜结冰传感器，而国内华中科技大学、中航工业武汉航空仪表公司等对结冰传感器器也进行了一些研究。但是，目前国内外结冰探测系统只是采用单一的探测方法，安装位置也主要针对飞机机头的下方，实际上，这个位置的结冰并不等于飞机机翼、尾翼和旋翼等关键部位表面的结冰，这种部位的差异性给结冰探测准确性带来了很大的误差和问题。因此，如果能结合两种或者多种结冰探测方法，并耦合到复杂的飞机机翼关键曲面，将会给结冰探测的准确性带来很大的进步。

光纤结冰传感器具有探头尺寸小、便于安装、灵敏度高的优点，但是对水、油污、灰尘的干扰较为敏感。而平膜结冰传感器安装方便，精度较高，能区分冰和水还有其它附着物，缺点是需要激励信号且温度补偿比较复杂，不能探测较厚的冰。超声波传感器具有精度高，也能分辨冰和水，但是超声波的换能器体积较大，对安装空间要求较高。目前，各个国家都非常重视飞机结冰探测的问题，只有表面结冰探测准确，才能更好的启动防除冰装置，有效的除去关键部件的结冰，同时也可以根据准确的结冰探测信息降低因为除冰所消耗的能源。

发明内容

本发明的目的是针对单个结冰探测方法存在较大误差和不确定性的问题，提供一种基于翼面多点布置的耦合式结冰探测装置及其方法，同时解决目前飞机机头下方探冰棒无法准确探测翼面结冰的问题。

本发明针对实验模拟环境、真实大气环境下的结冰气象条件，采用两种或多种结冰探测方法相配合，并通过在复杂翼面上间隔布置多个结冰传感器的方式，以实现精确探冰的目的。

本发明能用于各类飞机、风力机、高速列车和输电线路等容易结冰部位的结冰探测，具有较广的应用范围、较高的应用价值和较好的应用前景，值得大规模推广和应用。

一种基于翼面的耦合式结冰探测装置,包括翼形和设置在翼形表面的结冰传感器，

所述翼形表面的不同区域设置有若干个凹槽和通孔，每一个凹槽和通孔内设置一个结冰传感器，

所述结冰传感器包括光纤结冰传感器、平膜结冰传感器、超声波结冰传感器，三种传感器随机安装在每个翼形表面的凹槽和通孔内，

每个凹槽和通孔内设置传感器后,结冰传感器埋入到翼表面内，与整个翼型的翼表面保持平齐和型面一致。

在上述技术方案中，所述凹槽或通孔相互之间的间隔在10％左右弦长距离，所有凹槽或通孔形成间断性分布在翼面上的结冰探测区域，最远的设置点在翼面±20％弦长位置。

在上述技术方案中，所述最远的结冰传感器是用于探测大尺度过冷水滴结冰状况或者除冰融化后的液态水溢流到机翼表面下游的结冰状况。

上述技术方案中，至少有两个凹槽或通孔设置并分布在翼面上的驻点左右，驻点附近的通孔或凹槽内至少有一种结冰传感器。

在上述技术方案中，设置光纤结冰传感器的通孔宽度小于10mm，设置超声波结冰传感器的凹槽宽度小于10mm，设置平膜结冰传感器的凹槽宽度小于15mm。

在上述技术方案中，结冰传感器与凹槽和通孔之间固定连接，翼形内设置有空腔结构，连接结冰传感器的信号线缆通过空腔结构与翼型内部空间的走线通道与外部设备连接。

在上述技术方案中，所述翼形包括为翼飞机的机翼和尾翼、旋翼飞机和直升飞机、风力机叶片、输电导线、高速列车中的一种。

一种基于翼面的耦合式结冰探测方法，包括以下步骤：

S1：系统采用间断性或周期性方法往机翼外表面方向发射光学、力学、声学信号，使信号通过机翼蒙皮表面；

S2：系统接收由结冰传感器反馈回的信号，通过与基准信号之间的比较和分析，判断外部飞行环境；

S3:系统对接收到的信号进行处理产生电信号，通过电缆将电信号传输给信号调理模块，对弱信号进行调理；

S4：数据采集模块对信号进行数/模转换，并对信号进行结冰信息的解算，获取结冰厚度、结冰速率和结冰强弱的报警信息，根据每个测量位置的结冰厚度信息，利用多项式插值方法，可以连接并描绘出探测区域的结冰外形；

S5：系统根据结冰信息的阀值进行判断，通过判断结冰外形的均匀性或者奇异性，辅助判断结冰的严重性，当其中一个测量位置的结冰厚度与其它位置的相差较大时，当其超过预警信号时发出信号给防除冰系统，启动防除冰系统进行防除冰操作。

在上述技术方案中，根据各个测量位置的结冰传感器反馈的结冰厚度等信息，相互之间进行结冰信息的印证和修正，并进行关联和耦合，平均结冰厚度为

其中：h是单个结冰传感器上探测到的结冰厚度，n是结冰传感器的数量为自然数。

在上述技术方案中，在S4中如果系统检测到某个结冰传感器相对于其它结冰传感器而言没有结冰信息，则该结冰传感器故障，需要检修。

在上述技术方案中，在S4中，如果系统检测到某个结冰传感器相对于所有结冰传感器的平均结冰厚度的相对误差超过20％，发出报警信号，相对误差判断为：

其中:i为所有传感器的标记，为自然数。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明在耦合两种或者两种以上结冰探测方法的基础上，以探索复杂曲面的结冰探测问题为目的，在保证蒙皮正常性能的前提下，通过在容易结冰的区域表面安装多个结冰传感器，以此来提高复杂表面结冰探测的准确性和精度，可以为低能耗的防除冰提供准确的结冰信息输入，并且可以同时测量大/小尺度过冷水滴结冰的区分问题。本发明对于解决目前结冰探测器未安装于容易结冰的翼面，探测位置于实际结冰位置不匹配的情况，以及解决单个结冰探测误差大的缺陷，为飞机的防除冰提供准确的输入条件，节约飞机燃油消耗和保障飞行安全，均有着现实的意义。

本发明中的结冰探测对象可以是直升机旋翼叶片、旋翼飞机螺旋桨叶片、固定翼飞机的机翼和尾翼表面，可以是风力机的叶片表面、输电导线表面，或者是高速列车等其它国民经济相关装备需要结冰探测的部件迎风表面，具有适应性好、应用范围广的优点。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的翼型以及传感器的分布示意图；

图2是结冰厚度与传感器的位置关系图；

图3、图4、图5是结冰传感器的安装结构、原理示意图；

其中：1、2、3、4、5是对应结冰传感器的编号。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实施例的翼型表面在不同区域上设置有凹槽或者通孔，用于安装结冰传感器(如图1所示，本实施例用5个传感器来举例说明)。本实施例的传感器分为三种包括光纤结冰传感器、平膜结冰传感器、超声波结冰传感器。

如图3所示，超声波结冰传感器与翼型的安装示意图，超声波结冰传感器采用声学原理，当其表面结冰后，利用声波传播过程中被冰介质阻挡后反射回来的信号，实现结冰厚度的探测，超声波结冰探测器具有可分辨液态水、冰和其它物质形态的特点，特别适合结冰云雾环境对冰和水之间的分辨。

如图4所示，是光纤结冰传感器与翼型的安装示意图，光纤结冰传感器采用光学原理，当其表面结冰后，传感器中的发射光部分透过冰层，部分反射或散射回传感器的光电接收装置中，通过穿过冰层并接收回来的光强转化为电信号，可以建立电信号与冰层厚度的关系，从而通过电信号反推出冰层的厚度。这种红外光不受复杂背景的可见光影响，比如结冰云雾环境，而且可以将探头做得很小，对机翼蒙皮的破坏较小。

如图5所示，是平膜结冰传感器与翼型的安装示意图，平膜结冰传感器采用的力学原理，当其表面结冰后，通过测量传感器中的平膜固有频率特性，可以建立频率和质量之间的关系，通过质量变化可以反推出平膜表面所结冰的质量信息，通过结冰外形的建模可以获得结冰的厚度。这种方法非常可靠成熟，具有探测灵敏度高的特点，是目前在役飞机的重要选择，这种传感器适合安装于曲率半径较大的表面。

在传感器的分布设置中，沿着翼型的中轴线进行对称的设置，在单边一侧进行随机分布，翼型内部设置有用于敷设线路的通道，每个传感器通过管道将线路引出到外部。当在凹槽或通孔内安装传感器后，传感器的边缘处于凹槽或者通孔之间是需要密封的，确保不能进行水渗透进翼型。安装传感器后的翼型表面要确保为完整的翼型面，翼型面上不能有任何凸出的结构。传感器设置在翼型表面呈现出交错分布、或者随机分布、或者对称分布的多点布置。

在设置凹槽或者通孔的时候，设置光纤结冰传感器的通孔宽度小于10mm，设置超声波结冰传感器的凹槽宽度小于10mm，设置平膜结冰传感器的凹槽宽度小于15mm。一般情况下两个凹槽之间或者两个凹槽与通孔之间的间距在10％左右弦长的距离，所有凹槽或者通孔成间断性分布在翼面上的结冰探测区域，最远的凹槽或者通孔设置在翼面±20％弦长位置。

在进行传感器布置时，至少有两个凹槽设置并分布在翼面上的驻点左右，驻点附近的凹槽内至少有一种结冰传感器，其中一种结冰传感器布置在驻点附近，以探测最为敏感的驻点结冰，最远设置的结冰传感器用于探测大尺度过冷水滴的结冰问题。

在进行结冰探测时，步骤一：采用间断性或周期性方法往机翼外表面方向发射光学、力学、声学信号，使信号通过机翼蒙皮表面；

步骤二：当飞行环境中无结冰气象条件时，系统不会接收到额外的光学、力学、声学信号。当这个系统暴露在结冰气象环境中时，结冰传感器通过光学、力学等原理能感知到外界的结冰信号，产生信号的增益；

步骤三：结冰传感器感知翼型表面结冰的信息之后产生电信号，通过屏蔽、耐低温的电缆将电信号传输给信号调理模块，对弱信号进行调理；

步骤四：经过调理的弱信号传输给数据采集模块，由数据采集模块完成数字信号和模拟信号之间的转换，并且将信号传输到微型处理器进行结冰信息的解算，其中包括了结冰厚度、结冰速率和结冰强弱的报警信息，并形成探测区域表面的简单结冰外形；

步骤五：微型处理器与上位机通信，上位机与防除冰系统通过工业以太网进行交互，当结冰信息超过预警信号时，则通过上位机发出信号给防除冰系统，启动防除冰系统进行防除冰操作；

步骤六：同时，微型处理器将结冰传感器获得的简单结冰外形发送给上位机，上位机通过工业以太网将各个结冰探测位置的结冰厚度发送防除冰系统，为优化除冰能耗提供数据参考。

如图2所示，各个测量位置的结冰传感器提供局部的结冰厚度等信息，相互之间进行结冰信息的印证和修正，并进行关联和耦合，平均结冰厚度采用如下公式计算：

其中：h是单个结冰传感器上探测到的结冰厚度，n是结冰传感器的数量为自然数。

在上述技术方案中，在S4中如果系统检测到某个结冰传感器相对于其它结冰传感器而言没有结冰信息，则该结冰传感器故障，需要检修。

位置2和4结冰传感器测量的局部结冰厚度互为补充，位置3和5结冰传感器测量的局部结冰厚度也互为补充，如果位置1、2、4其中一个结冰传感器未测量到结冰厚度，而位置3、5的结冰传感器却测量到了结冰厚度，则说明未测量到结冰厚度的传感器可能存在问题，必须进行检测和维修。

如果位置i的结冰厚度与平均结冰厚度的相对误差超过20％，则说明i位置的结冰比较严重，呈现出角状，可能会对气动特性的影响较大，则报警的级别相应提高。如果位置i的结冰厚度与平均结冰厚度的相对误差均小于10％，则说明各个位置的结冰都比较圆滑，对气动特性的影响不大大，则报警的级别相应降低。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于翼面的耦合式结冰探测装置,包括翼形和设置在翼形表面的结冰传感器，其特征在于：

所述翼形表面的不同区域设置有若干个凹槽和通孔，每一个凹槽和通孔内设置一个结冰传感器，

所述结冰传感器包括光纤结冰传感器、平膜结冰传感器、超声波结冰传感器，三种传感器随机安装在每个翼形表面的凹槽和通孔内，

每个凹槽和通孔内设置传感器后,结冰传感器埋入到翼表面内，与整个翼型的翼表面保持齐平和一致。

2.根据权利要求1所述的一种基于翼面的耦合式结冰探测装置,其特征在于所述凹槽、通孔相互之间的间隔在10％左右弦长距离，所有凹槽、通孔均成间断性分布在翼面上的结冰探测区域，最远的设置点在翼面±20％弦长位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于翼面的耦合式结冰探测装置,其特征在于所述设置在翼面±20％弦长位置的结冰传感器，用于探测大尺度过冷水滴的结冰状况或者除冰融化后的液态水溢流到翼型下游的状况。

4.根据权利要求2所述的一种基于翼面的耦合式结冰探测装置,其特征在于至少有两个凹槽或通孔设置并分布在翼面上的驻点左右，驻点附近的通孔或凹槽内至少有一种结冰传感器。

5.根据权利要求2所述的一种基于翼面的耦合式结冰探测装置,其特征在于设置光纤结冰传感器的通孔宽度小于10mm，设置超声波结冰传感器的凹槽宽度小于10mm，设置平膜结冰传感器的凹槽宽度小于15mm。

6.根据权利要求1-4任一所述的一种基于翼面的耦合式结冰探测装置,其特征在于结冰传感器与凹槽或通孔之间固定连接，翼形内设置有空腔结构，连接结冰传感器的信号线缆通过空腔结构与翼型内部空间的走线通道与外部设备连接。

7.根据权利要求1项所述一种基于翼面的耦合式结冰探测装置，其特征在于所述翼形包括为翼飞机的机翼和尾翼、旋翼飞机和直升飞机、风力机叶片、输电导线、高速列车中的一种。

8.一种基于翼面的耦合式结冰探测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：在机翼表面没有结冰的条件下，系统采用间断性或周期性方法往机翼外表面方向发射光学、力学、声学信号，使信号通过机翼蒙皮表面，获得无冰条件下的信号曲线，将无冰条件下的信号作为基准信号；

S2：判断外部飞行环境：外部结冰条件下，系统接收到由结冰传感器反馈回的信号，将该信号与基准信号进行对比，如果两者无差别，则判定外部没有结冰；

S3:如果信号与基准信号有差别，则由系统对接收到的电信号进行处理，通过电缆将电信号传输给信号调理模块，对弱信号进行调理；

S4：数据采集模块对信号进行数/模转换，并对信号进行结冰信息的解算，获取结冰厚度、结冰速率和结冰强弱的报警信息，根据每个测量位置的结冰厚度信息，利用多项式插值方法，可以连接并描绘出探测区域的结冰外形；

S5：系统根据结冰信息的阀值进行判断，通过判断结冰外形的均匀性或者奇异性，辅助判断结冰的严重性，当其中一个测量位置的结冰厚度与其它位置的相差较大时，当其超过预警信号时发出信号给防除冰系统，启动防除冰系统进行防除冰操作。

9.根据权利要求7所述的结冰探测方法，其特征在于：根据各个测量位置的结冰传感器反馈的结冰厚度等信息，相互之间进行结冰信息的印证和修正，并进行关联和耦合，平均结冰厚度为

其中：h是单个结冰传感器上探测到的结冰厚度，n是结冰传感器的数量为自然数。

10.根据权利要求9所述的结冰探测方法，其特征在于在S4中：

如果系统检测到某个结冰传感器相对于其它结冰传感器而言没有结冰信息，则该结冰传感器故障，需要检修；

如果系统检测到某个结冰传感器相对于所有结冰传感器的平均结冰厚度的相对误差超过20％，发出报警信号，相对误差判断为：

其中:i为所有传感器的标记，为自然数。

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