CN111366932A - 一种基于声表面波振荡器的结冰传感器 - Google Patents

一种基于声表面波振荡器的结冰传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于声表面波振荡器的结冰传感器，包括声表面波器件和振荡电路(11)，还包括封装管壳(6)、透水膜(7)；所述声表面波器件外部采用封装管壳(6)封装；所述透水膜(7)设置于封装管壳(6)开口处；所述声表面波振荡器表面覆盖SiO2保护薄层(2)；所述声表面波器件输出振荡频率变化的电信号至振荡电路(11)，振荡电路(11)检测电信号振荡频率的突变，输出振荡频率来实现结冰预警和监测。具有较高检测灵敏度、良好温度稳定性、可以及时预警结冰，使声表面波技术较为容易实施。

Description

一种基于声表面波振荡器的结冰传感器
技术领域
本发明涉及结冰传感器领域，具体而言涉及一种基于声表面波振荡器的结冰传感器。
背景技术
结冰现象广泛存在于自然界和人类生产、生活的现实中。过去，对结冰状况的检测很少实施，一方面是因为需求不多，要求不高；另一方面是因为缺乏可行的技术手段。但结冰现象对人类社会造成的负面影响甚至危害越来越多，如道路、飞机安全等方面都存在着结冰检测问题，而对于路面、飞机的结冰监测需要体积小，能灵活测量的传感器。为了监测道路表面、飞机的结冰状况并开发有效的道路结冰安全预警系统，结冰传感器起着至关重要的作用，而且它必须对结冰厚度以及结冰速率非常敏感。目前应用于道路检测的传感技术有红外式传感技术与电容式传感技术。
如图1所示，红外式结冰传感器是将红外激光直接照射在物体的结冰表面，通过光电探测器接收到物体结冰表面反射回来的激光的能量，运算得到不同入射角和观测角下结冰表面的反射系数，根据结冰系数推断物体表面的结冰情况。红外式传感技术基于所有固体的温度在绝对零度以上时都会反射红外能量的原理，没有结冰时，系统感应的空气红外能量和非涂色铝表面反射的能量一样，此区域测得的温度是空气温度；涂色表面在红外区域不反射能量，因此探测到的能量是由涂色表面发射的，测得的温度是表面温度。无冰情况下从两个区域获得的是不同的温度，一般温度相差大于-12℃。有冰时，由于非涂色铝表面也不反射红外信号，此区域获得的温度也反应表面的温度，因此从两个铝表面获得的温度读值应该是相近的，由测量得到结冰时的温度差值较小，接近-15℃，且两者温度都低于0℃。通过比较温度差值，就可以判断被测表面是否有冰结成。红外式结冰传感器精度高，响应快，属于比较精密的光学仪器，但是这种光学仪器比较脆弱，抗干扰能力较差，容易受外界强光、杂光(如车灯)的影响，且造价比较高，在道路工程中推广使用存在一定困难，可以考虑在一些结冰事故高发地段进行安装。但该产品只能用于地面飞机结冰探测，造价高、抗干扰能力较差。
如图2所示，电容式结冰传感器是利用电容板之间电介质的变化引起电容变化的方法判断是否结冰。一种是使用普通的极板电容，利用不同频率的方波信号对电容进行充放电来判断电容器所处环境。空气的相对介电常数1.0，水的相对介电常数在0℃时为87.9左右，当温度升高，水的相对介电常数减小而冰或雪在-1～-40℃之间的相对介电常数与80℃的水相近，雪的相对介电常数随雪的密度增大而增大，为判别电容板之间的物质，利用不同频率的方波对电容充放电并检测多频电容上的电压，以此来判断电介质种类。电容式的传感器比较适合在路面使用，其工艺相对简单，造价低廉，且判断准确率较高，但它的一大缺憾是深度结冰和干燥两种情况的电容值相近，依靠电容值难以判断是否结冰，且响应时间较长，无法进行实时监控。
声表面波传感器体积小、可无线无源测量，对公路飞机跑道的结冰状况进行灵活监测，因此，研发的结冰传感器可以应用于道路并监测结冰厚度和结冰速率，同时也可以广泛应用于公路、飞机等的结冰监测网的建设中，具有良好的应用前景。声表面波在传播过程中，受到材料的质量密度、绝缘体特性和弹性刚度等性质的影响，它的传播特性会以频移或者相变的形式发生改变。因为声波能量被局限在底层的靠近表面的很薄的区域内，所以当声波传播时声表面波传感器对表面扰动具有很高的灵敏度。江城等利用乐甫波来探测导波层表面冰的厚度及状态变化并开展了相关实验，但其结果只能在冰层达到一定厚度后发出警告，但无法对结冰初期微薄厚度的冰层进行探测，导致此种技术离实用化距离甚远。
发明内容
本发明的目的在于解决现有结冰传感器存在的灵敏度低、实时性差及不易实施的问题，为实现上述目的，本发明提出了一种基于声表面波的结冰传感器，所述结冰传感器包括：包括声表面波器件和振荡电路(11)，还包括封装管壳(6)、透水膜(7)；
所述声表面波器件外部采用封装管壳(6)封装；
所述透水膜(7)设置于封装管壳(6)开口处；
所述声表面波振荡器表面覆盖SiO2保护薄层(2)；
所述声表面波器件输出振荡频率变化的电信号至振荡电路(11)，振荡电路(11)检测电信号振荡频率的突变，输出振荡频率来实现结冰预警和监测。
作为所述装置的一种改进，所述封装管壳(6)顶部有封装管帽(5)，并在封装管帽(5)顶部开孔，所述透水膜(7)，覆盖于封装管帽(5)的顶部开孔处。
作为所述装置的一种改进，所述透水膜(7)其孔径大小能透过体积较小的水蒸气分子而不能透过氢键形成的缔合水分子，材料为聚氯乙烯。
作为所述装置的一种改进，所述声表面波器件包括压电基片(1)和叉指换能器；
所述压电基片(1)是绕y方向旋转36°切割且沿x方向传播的，具有高压电系数；
所述叉指换能器，设置于所述压电基片(1)上，将声表面波转换成具有单一稳定振荡频率的电信号；当发生结冰时根据波导效应引起声学模式的改变输出振荡频率突变的电信号。
作为所述装置的一种改进，所述叉指换能器包括输入换能器(3)和输出换能器(4)；所述输入换能器(3)与输出换能器(4)的中心距离等于所述输入换能器(3)长度；
所述输出换能器(4)，将输入的电信号转换为声表面波信号在压电基片(1)表面传播；
所述输入换能器(3)，接收转化后的声表面波信号，并将声表面波信号转换为电信号输出至所述振荡电路(11)；
作为所述装置的一种改进，所述输入换能器(3)包括若干组梳齿结构单元(312)和接地假指电极(313)，两个梳齿结构单元(312)之间的中心间距等于输出换能器(4)的长度；
所述假指电极(313)设置于相邻的两组梳齿结构单元(312)之间，一端接地；能够保持声表面波传播速度的均一性。
作为所述装置的一种改进，每个梳齿结构单元(312)包括叉指对(310)和反射电极(311)；所述叉指对(310)包括两个相对的叉指电极，所述反射电极(311)设置于两个叉指对之间；能够实现声表面波振荡器通带内只有一个相位周期，输出单一振频率的电信号。
作为所述装置的一种改进，所述SiO2薄层(2)厚度为1-2％λx；所述输入换能器(3)的长度为130λx；所述输出换能器(4)的长度为40λx；梳齿结构单元(312)之间的中心间距等于输出换能器(4)的长度；接地假指电极(313)的长度为1/8λx；所述叉指电极(310)与反射电极(311)的厚度为1％～1.5％λx，叉指电极的宽度为1/8λx；两个叉指电极之间间距为1/8λx；所述反射电极(311)的宽度为1/4λx，所述反射电极(311)与其相应的叉指对(310)的边缘距离为3/16λx；其中，λx为沿声波传播方向的声波波长：
λx＝v/f (1)
v为声表面波在所述压电基片上的传播速度，f为所述传感器频率。
作为所述装置的一种改进，所述振荡电路(11)包括相移器(8)、放大器(9)和频率采集器(10)；
所述相移器(8)，用于将电信号进行相位移动；
所述放大器(9)，用于将相位移动后的电信号放大，经过一定的时间t延迟后传输给频率采集(10)；
延迟时间t的大小取决于基片材料的声表面波的相速度v及输入换能(3)和输出换能器(4)之间的间距L，即：
t＝L/v (2)
所述频率采集器(10)，用于输出经放大后的电信号的振荡频率；
根据振荡频率计算结冰温度值：
T＝kf (3)
k为一个常数，其值与所选择的压电基片与波导层材料有关，f为频率采集器10输出的振荡频率，实现了对结冰的预警和监测。
作为所述装置的一种改进，所述压电基片(1)材料为LiTaO3；所述叉指电极(310)与反射电极(311)的材质为铝。
本发明的优势在于：
1、本发明的基于声表面波结冰传感器具有较高检测灵敏度、良好温度稳定性、可以及时预警结冰，使声表面波技术较为容易实施；
2、本发明的基于声表面波结冰传感器通过在具有高压电系数的压电基片表面沉积与其温度系数极性相反的SiO2薄层来改善器件温度稳定性并作为波导层来激发乐甫波；
3、本发明的基于声表面波结冰传感器通过采用LiTaO3为压电基片，采用SiO2薄层作为声波导层的同时保护叉指换能器，通过激发乐甫波和在导波层中的传播变化,来敏感反应波导层的状态变化，可以实时监控结冰与否；
4、本发明的基于声表面波结冰传感器将EWC/SPUDT与梳状结构应用到设计之中，能够降低器件的插入损耗，同时获得一种单一振荡模式，从而将改善结冰传感器的检测下限以及稳定性；
5、本发明的基于声表面波结冰传感器采用半金属封装并在金属封装上与外界连通的聚氯乙烯透水膜，能够在保证器件表面清洁干净的同时又能与外界环境温度湿度等条件相同，以此提高了结冰检测的准确性。
附图说明
图1是现有技术的红外式结冰传感器的立体结构示意图；
图2是现有技术的电容式结冰传感器的立体结构示意图；
图3是本发明的基于声表面波结冰传感器原理结构示意图；
图4是本发明的基于声表面波结冰传感器的叉指换能器的平面结构示意图；
图5是本发明的基于声表面波结冰传感器的透水膜聚氯乙烯(PVC)的分离排列图；
图6(a)是本发明的基于声表面波结冰传感器的频率随温度变化示意图；
图6(b)是本发明的基于声表面波结冰传感器的相位随温度变化示意图。
附图标识
1、压电基片 2、SiO2薄层 3、输入换能器
4、输出换能器 5、封装管帽 6、封装管壳
7、透水膜 8、相移器 9、放大器
10、频率采集器 11、振荡电路 310、叉指对
311、反射电极 312、梳齿结构单元 313、接地假指
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
如图3所示，本发明实施例提供的一种基于声表面波结冰传感器包括：压电基片1、设置于压电基片1上的输入换能器3和输出换能器4，以及由相移器8、放大器9、频率采集器10等构成的振荡电路11。
所述基于声表面波结冰传感器还包括封装管壳6、覆盖在封装管壳6上与外界环境连通的透水膜7，以及作为声波导层覆盖于压电基片1表面的SiO2薄层2。水汽通过所述透水膜7在SiO2保护薄层2表面结冰，使得声表面波器件输出振荡频率变化的电信号至振荡电路11；
其中，压电基片1为具有高压电系数的绕y方向旋转36°切割且沿x方向传播的LiTaO3压电基片，该基片具有良好的灵敏度。
所述的输入换能器3和输出换能器4具有相同的单向单相(EWC/SPUDT)结构，均包括叉指对和反射电极；
如图4所示，输入换能器3由若干个叉指对310和设置于两个叉指对之间的反射电极311构成。
每个叉指对包含两个叉指电极宽度均为1/8λx，且两个叉指电极之间间距均为1/8λx；
所述反射电极311的宽度均为1/4λx，且反射电极311与叉指对310的边缘距离均为3/16λx。
本发明优选的实施例提供的基于声表面波振荡器的结冰传感器采用绕Y向旋转36°切割且沿X方向传播的压电基片1，且所述输入换能器3和输出换能器4的电极均采用铝电极。
所述叉指电极与反射电极的材质为厚度为1％～1.5％λx的铝，其中，λx为沿声波传播方向的声波波长：
λx＝v/f (1)
v为声表面波在所述压电基片1上的传播速度，f为所述传感器频率。
所述输入换能器3采用梳齿结构，即输入换能器3被周期性的抽走部分叉指对，分成了若干组，从2到5组不等，梳齿结构单元312；
所述梳齿结构单元312主要用于保证实现声表面波振荡器通带内只有一个相位周期，即在通带内满足振荡器起振条件的相位对应频率点只有一个，从而提高振荡器的频率的稳定性。
所述输入换能器3的长度为130λx，并分为4组，每组包含梳齿结构单元312和分布于梳齿结构单元312之间的接地假指电极313。
所述接地假指电极313的长度为1/8λx；输出换能器4的长度为40λx，所述梳齿结构单元312之间的中心间隔与输出换能器4的长度相等，所述输入换能器3与输出换能器4之间的中心距离为60λx；同时输入换能器3和输出换能器4之间的中心间距与输入换能器3的长度相同。
在基底和输入换能器3及输出换能器4的表面覆盖一层用于波导层和保护叉指的SiO2薄层2，膜厚为1-2％λx。这样，就获得了一种新型基于声表面波的结冰传感器，所制备样品的面积大小为10mm×5mm。
所述SiO2薄层2作为声波导层并用来保护输入换能器3和输出换能器4，利用波导层将基片内激发的弹性波耦合到声表面波波导层中，可以降低声波的衰减，并对表面负载极为敏感，从而可以有效地提高传感器的检测灵敏度。
本发明所述的基于声表面波结冰传感器表面进行部分金属封装以保证器件表面清洁干净。
所述封装管壳6的表层覆盖一层与外界环境连通的透水膜7以保证与外界环境温度湿度等条件相同，确保可以准确顺利的结冰。
所述透水膜7作为与外界的连通，可以使水汽通过，在满足一定的温湿度条件下，可在SiO2保护层表面结冰，从而可通过波导效应引起声学模式的改变，产生的振荡器频率的突变来实现结冰预警；另外，冰层厚度的增加将增强对声表面波(SAW)的质量负载效应，从而引起振荡器频率的相应改变，由此可实现对结冰的监测。
所述透水膜7为聚氯乙烯(PVC)透水膜。它的耐温性能好且具有良好透水蒸气性能，其孔径大小能透过体积较小的水蒸气分子而不能透过氢键形成的缔合水分子。
从图5可以看出，本发明所述的声表面波结冰传感器的聚氯乙烯(PVC)透水膜7的膜分子，如图排序，其孔径大小能透过体积较小的水蒸气分子而不能透过氢键形成的缔合水分子的聚氯乙烯(PVC)透水膜以保证与外界环境连通，且温度特性较好可以保证测量结冰的准确性。
本发明所述的声表面波结冰传感器采用SiO2/36°YX-LiTaO3的乐甫声波导结构。由于声表面波结冰传感器需接触水和冰,而纵波或垂直剪切波都会在传播中发生能量泄漏,瑞利波、兰姆波会受到严重的衰减，故只能利用水平剪切波。乐甫波是能被压电材料导波层吸附的水平剪切波，适用于敏感的水和冰。
该结冰传感器的具体工作过程如下：
S1：输出换能器4将输入的电信号转换为声表面波信号在压电基片表面传播；
S2：输入换能器3接收转化后的声表面波信号，并将声表面波信号转换为电信号；
S3：转换后的电信号经过相移器8将相位移动后再经放大器9放大；
S4：经过一定的时间延迟后，放大后的电信号传输给频率采集器10，延迟时间t的大小取决于基片材料的声表面波的相速度v及输入换能器3和输出换能器4之间的间距L，即：
t＝L/v (2)
S5：根据频率采集器10输出的振荡频率，显示终端显示所要检测的结冰温度值：
T＝kf (3)
k为一个常数，其值与所选择的压电基片与波导层材料有关，f为频率采集器10输出的振荡频率。
本发明的基于声表面波振荡器的结冰传感器，该结冰传感器的工作频率为300MHz。
从图6(a)和图6(b)中可以看出，本发明实施例提供的基于声表面波振荡器的结冰传感器在达到0℃附近时，传感器的频偏明显增大，相移明显减小，由此我们可以得到结冰点，得到在此环境下是否结冰的信息，实现了结冰传感器的实时监测。
本发明实施例提供的一种基于声表面波振荡器的结冰传感器采用LiTaO3为压电基片，采用SiO2薄层作为声波导层并保护叉指换能器，利用冰层沉积所导致的声学模式变化以及质量负载效应，实现对结冰及冰层厚度的实施监测，具有较高的检测灵敏度、较快的响应速度及较低的成本，有效地解决了目前结冰传感器存在的检测灵敏度低、温度稳定性差及高成本的问题。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于声表面波振荡器的结冰传感器，包括声表面波器件和振荡电路(11)，其特征在于，还包括封装管壳(6)、透水膜(7)；
所述声表面波器件外部采用封装管壳(6)封装；
所述透水膜(7)设置于封装管壳(6)开口处；
所述声表面波振荡器表面覆盖SiO2保护薄层(2)；
所述声表面波器件输出振荡频率变化的电信号至振荡电路(11)，振荡电路(11)检测电信号振荡频率的突变，输出振荡频率来实现结冰预警和监测。
2.根据权利要求1所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于，所述封装管壳(6)顶部有封装管帽(5)，并在封装管帽(5)顶部开孔，所述透水膜(7)，覆盖于封装管帽(5)的顶部开孔处。
3.根据权利要求1所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于，所述透水膜(7)其孔径大小能透过体积较小的水蒸气分子而不能透过氢键形成的缔合水分子，材料为聚氯乙烯。
4.根据权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，所述声表面波器件包括压电基片(1)和叉指换能器；
所述压电基片(1)是绕y方向旋转36°切割且沿x方向传播的，具有高压电系数；
所述叉指换能器，设置于所述压电基片(1)上，将声表面波转换成具有单一稳定振荡频率的电信号；当发生结冰时根据波导效应引起声学模式的改变输出振荡频率突变的电信号。
5.根据权利要求1所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于，所述叉指换能器包括输入换能器(3)和输出换能器(4)；所述输入换能器(3)与输出换能器(4)的中心距离等于所述输入换能器(3)长度；
所述输出换能器(4)，将输入的电信号转换为声表面波信号在压电基片(1)表面传播；
所述输入换能器(3)，接收转化后的声表面波信号，并将声表面波信号转换为电信号输出至所述振荡电路(11)。
6.根据权利要求5所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于，所述输入换能器(3)包括若干组梳齿结构单元(312)和接地假指电极(313)，两个梳齿结构单元(312)之间的中心间距等于输出换能器(4)的长度；
所述假指电极(313)设置于相邻的两组梳齿结构单元(312)之间，一端接地；能够保持声表面波传播速度的均一性。
7.根据权利要求6所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于每个梳齿结构单元(312)包括叉指对(310)和反射电极(311)；所述叉指对(310)包括两个相对的叉指电极，所述反射电极(311)设置于两个叉指对之间；能够实现声表面波振荡器通带内只有一个相位周期，输出单一振频率的电信号。
8.根据权利要求7所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于，所述SiO2薄层(2)厚度为1-2％λx；所述输入换能器(3)的长度为130λx；所述输出换能器(4)的长度为40λx；梳齿结构单元(312)之间的中心间距等于输出换能器(4)的长度；接地假指电极(313)的长度为1/8λx；所述叉指电极(310)与反射电极(311)的厚度为1％～1.5％λx，叉指电极的宽度为1/8λx；两个叉指电极之间间距为1/8λx；所述反射电极(311)的宽度为1/4λx，所述反射电极(311)与其相应的叉指对(310)的边缘距离为3/16λx；其中，λx为沿声波传播方向的声波波长：
λx＝v/f (1)
v为声表面波在所述压电基片上的传播速度，f为所述传感器频率。
9.根据权利要求1所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于，所述振荡电路(11)包括相移器(8)、放大器(9)和频率采集器(10)；
所述相移器(8)，用于将电信号进行相位移动；
所述放大器(9)，用于将相位移动后的电信号放大，经过一定的时间t延迟后传输给频率采集(10)；
延迟时间t的大小取决于基片材料的声表面波的相速度v及输入换能(3)和输出换能器(4)之间的间距L，即：
t＝L/v (2)
所述频率采集器(10)，用于输出经放大后的电信号的振荡频率；
根据振荡频率计算结冰温度值：
T＝kf (3)
k为一个常数，其值与所选择的压电基片与波导层材料有关，f为频率采集器10输出的振荡频率，实现了对结冰的预警和监测。
10.根据权利要求1-9之一所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于，所述压电基片(1)材料为LiTaO3；所述叉指电极(310)与反射电极(311)的材质为铝。
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