CN113636086A - 一种基于导光板的结冰探测装置及结冰探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供一种基于导光板的结冰探测装置及结冰探测方法。探测装置包括包括导光板和光敏接收装置；所述导光板的内侧面和外侧面对称开设多个内侧出光点和外侧出光点；每个所述内侧出光点的位置固定设置一个光敏接收装置；所有所述光敏接收装置串联，并将串联引线接至导光板端面的数据采集系统；所述导光板的两端面设置至少一个端面光源。本发明采用导光板替代常规的点光源，降低了大面积结冰探测系统规模和难度，体积、重量和成本都得到降低。

Description

一种基于导光板的结冰探测装置及结冰探测方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种基于导光板的结冰探测装置及结冰探测方法。

背景技术

结冰是导致飞机飞行事故的主要原因之一，飞机机翼、尾翼前缘的结冰，会导致翼型阻力增加，升力下降，临界攻角减小，以及操纵性和稳定性的恶化，造成严重的飞行事故，因此受到人们的广泛关注和研究。

当前飞机结冰探测技术发展了如光学法，热学法，电学法，机械法，波导法等多种测量方法，一些老式结冰探测方法，如目测法、障眼法、射线法等由于其自身存在的较大缺点，目前已基本被淘汰；而压差法和电导法等技术，由于其易受外界干扰和无法有效给出结冰厚度信息等原因，也未获得广泛应用。

在目前国外成型产品中，应用最多的主要是美国 ROSEMOUNT 公司磁致伸缩结冰探测系统和瑞典 VibroMeter公司平膜式结冰传感器、英国生产的光纤式结冰传感器等。

但是目前的结冰传感器都是为单点测冰而设计，如果需要测多点冰厚度需要安装大量结冰传感器的解决方案，造成探测系统的规模和成本迅速上升，随之带来布设和维护的困难。

由于光纤传感器相对廉价，系统集成容易，因此当前多数多点结冰探测传感器采用光纤方案。采用光纤传感器时，每次测量点均需要一个发射光纤用于发射光源，需要多根接收光纤用于收集反射的信号。由此，大面积积冰探测时，需要大规模光纤探测器的集成和信号处理，进而需要大量独立的光电转换、电信号放大、多路开关等后端信号采集处理的硬件配套，随着分析点高达数十、数百量级，这样的系统集成已不具有工程意义。

因此，如何简化结冰探测装置以实现大面积的积冰探测，降低系统规模和成本，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简化结构的结冰探测装置，以在减小系统规模的情况下，实现对大面积的积冰探测。

一种基于导光板的结冰探测装置，其特征在于，包括导光板和光敏接收装置；

所述导光板的内侧面和外侧面对称开设多个内侧出光点和外侧出光点；

每个所述内侧出光点的位置固定设置一个光敏接收装置；

所有所述光敏接收装置串联，并将串联引线接至导光板端面的数据采集系统；

所述导光板的两端面设置至少一个端面光源。

进一步地，在导光板的内侧出光点处可选择地设置精确测量光源。

进一步地，所述端面光源和所述精确测量光源独立控制。

进一步地，所述光敏接收装置包括第一光敏接收器和第二光敏接收器，所述第一光敏接收器居中于所述内侧出光点，所述第二光敏接收器偏置。

进一步地，所述端面光源和所述精确测量光源为激光光源。

进一步地，所述第一光敏接收器和/或第二光敏接收器包括光敏二极管、光敏三极管或光敏电阻。

进一步地，当设置两个或两个以上的端面光源时，各个所述端面光源的发光波段不同。

本发明还提供一种结冰探测方法，将前述的一种基于导光板的结冰探测装置嵌到飞机蒙皮的槽口中，使得所述导光板的外侧面能够直接接触到飞机表面的积冰，开启一个端面光源和光敏接收装置，获得飞机表面的已结冰区域。

本发明还提供另一种结冰探测方法，具有精确测量光源的一种基于导光板的结冰探测装置嵌到飞机蒙皮的槽口中，使得所述导光板的外侧面能够直接接触到飞机表面的积冰；并采用以下任意一种方式进行积冰探测：

（1）开启精确测量光源和光敏接收装置，测量精确测量光源所在位置的积冰厚度；

（2）开启一个端面光源和光敏接收装置，获得飞机表面的结冰区域。

进一步地，当设置两个或两个以上发光波段不同的端面光源时，根据积冰的类型选择端面光源的类型；或根据不同波段的端面光源测得的结果分析积冰类型。

采用本发明的一种基于导光板的结冰探测装置和结冰探测方法，相较于现有技术至少具有以下有益效果：

本发明的结冰探测装置采用导光板替代常规的光源发射装置，由于导光板结构简单、质地轻薄、价格低，使得本申请的结冰探测装置结构简单、系统的体积、重量和成本都得以降低；

本发明采用导光板代替常规的光源发射装置，只需要在待测点位置的光反射层去掉即可制作为出光点，其制作简单，容易实现；

本发明采用导光板代替常规的光源发射装置，由于导光板具有轻薄，柔性好，易于安装在机翼弧形位置，与机翼表面贴合度好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种基于导光板的结冰探测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种基于导光板的结冰探测装置的另一视角的结构示意图；

图3是本发明实施例的导光板上出光点的结构示意图。

图中，10-导光板，11-外侧出光点，12-内侧出光点，20-精确测量光源，30-光敏接收装置，40-端面光源。

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。

正如背景技术中提到，现有的光纤传感器用于结冰探测时，由于每个测量点都需要一根发射光纤和多根接收光纤，对于大面积探测区域，不仅需要大量信号接收电路，还需要配备大量的发射光源，由此使得系统集成困难。

导光板是当前常用的一种光学平板，具有轻薄、体积小、价格低廉，如光和出光位置可加工定制等优势，在照明和LED屏幕显示领域具有广泛的应用。

本申请的发明构思在于，采用导光板替代常规的点光源。具体地，在导光板上设置多个出光点，导光板的端部设置入射光源，导光板中的光经多次折射、反射、散射等后，经过预设的多个出光点位置射出，出光点作为单点发射光源。由此，由于导光板结构简单、价格低廉、轻薄等特点，降低了大面积结冰探测系统规模和难度，体积、重量和成本都得到降低。

实施例1

一种基于导光板的结冰探测装置，如图1-图3所示，包括导光板10和光敏接收装置30；所述导光板10的内侧面和外侧面对称开设多个内侧出光点12和外侧出光点11；每个所述内侧出光点12的位置固定设置一个光敏接收装置30；所有所述光敏接收装置30串联，并将串联引线接至导光板端面的数据采集系统；所述导光板的两端面设置至少一个端面光源40。

导光板10是一种薄板，其两侧面均设置有反光面，从而保证光纤不从两个侧面射出，而一直在导光板内部传导，减少光线损失。导光板两侧面的反光面上可设置为平板结构，也可以设置金字塔、圆柱等匀光微结构。

为了在指定位置开设出光点，只需要在导光板表面的相应位置将反光面去除，如图3所示，本实施例中，在导光板10的内侧面和外侧面均对称地开设了出光点，分别为内侧出光点12和外侧出光点11，如图3所示。值得说明的是，一般去除的反光面的厚度在微米级，在导光板表面视觉上几乎看不出来，图3只是一个结构示意，为了说明在导光板的内外两侧进行了反光面的去除。

外侧出光点作为光源，出射光线到待测面上，内侧出光点12是为了接收由外侧出光点11发射的光经表面积冰反射回来的光信号，本领域技术人员可以理解，导光板10上一对对称设置的外侧出光点和内侧出光点出射的光强一致，假设内外出光点上由导光板发射的光强均为A，外侧出光点将A的光强出射到待测面上，当无积冰时，该出射光将直接投射到空气中，没有光线反射回来，此时，内侧出光点只检测到同样光强为A的光信号；当有积冰时，积冰对该出射光有一定的反射作用，将反射回一部分光强，假如反射10%的光，那么内侧出光点将检测到A+10%A的光强的光信号，由此来检测导光板上出光点处的结冰情况。

由于单接收器件存在一段测量死区，并且单接收器件难以同时分析积冰类型和积冰厚度，容易造成测量不准确，因而本实施例中将光敏接收装置30设置成双收结构，即包括两个光敏接收器，第一光敏接收器和第二光敏接收器，所述第一光敏接收器居中于所述内侧出光点12，所述第二光敏接收器偏置。由此，两接收器可以消除同性干扰，同时减小光源强度变化对检测器灵敏度的影响，使得测得的结果更加准确。

作为优选，第一光敏接收器和/或第二光敏接收器包括光敏二极管、光敏三极管或光敏电阻等便于小型化、微型化的光电器件。

作为优选，所述端面光源40为激光光源。

本实施例中，端面光源40的数量为至少一个，即可以为一个，两个，三个，四个等等。其中，当端面光源40设置为多个时，每个光源的出射光波段设置为不同，这样，针对不同类型的冰，如明冰、冰霜、混合冰，可以选用不同波段的光源，使得测量结果更加准确；亦或者，多种光源交替使用，将多次不同波段光源测量的结果进行比较分析，还可得出积冰的类型等。

实施例2

本实施例也涉及一种基于导光板的结冰探测装置，本实施例2与实施例1相比，区别在于本实施例的结冰探测装置中还设置有精确测量光源20。

由于导光板10上随着导光板长度的增加，端面光源40发射的光经长距离传播，传播路径上会发生一定的光损失，使得较远距离的出光点附近光敏接收装置的信号信噪比降低，导致测量误差，特别是对于特定的重要的待检测点的检测结果并不准确。

为了能够实现特定待测点处的积冰的准确测量，在导光板的内侧出光点12处可选择地设置精确测量光源20，由此可以与常规单点探测器一样，可以取得较准确的局部积冰信息。

进一步地，端面光源40和精确测量光源20可独立控制，即端面光源40和精确测量光源20可以独立控制其开闭，例如需要精确测量时，关闭端面光源40，开启精确测量光源20，对精确测量点进行积冰的精确测量；当需要测量大面积的结冰情况时，关闭精确测量光源20，开启端面光源40进行积冰测量，此时可以获得测得导光板表面大面积区域的积冰情况。

此外，当导光板尺寸较大时，对于距离较远的点，端面光源发出的光线损严重时，也可以在这些地方设置精确测量光源，作为补光光源，对测量的光强进行补充。当然，精确测量光源作为补充光源应用时，端面光源和精确测量光源需要同时打开。

本领域技术人员可以理解，本实施例中所述的特定的重要的待检测点，是指一般需要重点关注的易结冰点，例如飞机机翼的最前缘、角点区域、溢流水区域等等，本领域技术人员可以根据实际需要进行设定。

作为优选，所述端面光源40和精确测量光源20均为激光光源。

实施例3

本实施例提供一种结冰探测方法，采用实施例1中的一种基于导光板的结冰探测装置进行探测。

将实施例1中的结冰探测装置嵌到飞机蒙皮的槽口中，本领域技术人员可以理解，即在飞机蒙皮上设置一个槽口，将结冰探测器设置在这个槽口中，使得导光板10的外侧面能够直接接触到飞机表面的积冰，以对飞机蒙皮表面的积冰进行测量。

测量时，开启一个端面光源40和光敏接收装置30，当飞机表面没有积冰时，光敏接收装置只接收到出射光强度的光（该光束是内侧出光点发出的光）；当飞机表面有积冰时，接收到的光强大于出射光强度的光，光敏接收装置接收到的光信号经数据处理后得到测量点的积冰厚度。由于导光板上设置了多个内侧和外侧出光点，因而得到导光板上大面积的积冰情况。

当设置有多个不同波段光的端面光源时，交替开启不同的端面光源，一方面可以获得大面积的积冰情况，另一方面还能根据不同波段下测得的积冰情况，分析积冰类型。由于不同的积冰类型对不同波段的光的反射率不同，可以利用这一原理分析积冰类型。

实施例4

本实施例提供一种结冰探测方法，采用实施例2中的一种基于导光板的结冰探测装置进行探测。

将实施例2中的结冰探测装置嵌到飞机蒙皮的槽口中，本领域技术人员可以理解，即在飞机蒙皮上设置一个槽口，将结冰探测器设置在这个槽口中，使得导光板10的外侧面能够直接接触到飞机表面的积冰，以对飞机蒙皮表面的积冰进行测量。

与实施例3不同的是，本实施例中的结冰探测装置上还设置有精确测量光源20，有了精确测量光源20，由精确测量光源20可以直接测量待测点的积冰的精确厚度，也可以像实施例3一样测量导光板上大面积的积冰情况。

测量时，开启一个端面光源40和光敏接收装置30，当飞机表面没有积冰时，光敏接收装置只接收到出射光强度的光（该光束是内侧出光点发出的光）；当飞机表面有积冰时，接收到的光强大于出射光强度的光，光敏接收装置接收到的光信号经数据处理后得到测量点的积冰厚度。由于导光板上设置了多个内侧和外侧出光点，因而得到导光板上大面积的积冰情况。

关闭端面光源40，开启精确测量光源20和光敏接收装置30，对精确测量光源20所在位置的积冰进行精确测量。测量原理为，精确测量光源20发出激光，当导光板表面无积冰时，发出的激光直接投射到空气中，无反射光，此处的光敏接收装置30接收不到光信号；当导光板表面有积冰时，发出的激光被积冰反射，光敏接收装置30接收到被积冰反射回来的光，从而探测到有积冰，并根据反射光的强度来计算积冰的精确厚度。

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 (10)

1.一种基于导光板的结冰探测装置，其特征在于，包括导光板（10）和光敏接收装置（30）；

所述导光板（10）的内侧面和外侧面对称开设多个内侧出光点（12）和外侧出光点（11）；

每个所述内侧出光点（12）的位置固定设置一个光敏接收装置（30）；

所有所述光敏接收装置（30）串联，并将串联引线接至导光板端面的数据采集系统；

所述导光板的两端面设置至少一个端面光源（40）。

2.根据权利要求1所述的一种基于导光板的结冰探测装置，其特征在于，在导光板的内侧出光点（12）处可选择地设置精确测量光源（20）。

3.根据权利要求2所述的一种基于导光板的结冰探测装置，其特征在于，所述端面光源（40）和所述精确测量光源（20）独立控制。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于导光板的结冰探测装置，其特征在于，所述光敏接收装置（30）包括第一光敏接收器和第二光敏接收器，所述第一光敏接收器居中于所述内侧出光点（12），所述第二光敏接收器偏置。

5.根据权利要求3所述的一种基于导光板的结冰探测装置，其特征在于，所述端面光源（40）和所述精确测量光源（20）为激光光源。

6.根据权利要求4所述的一种基于导光板的结冰探测装置，其特征在于，所述第一光敏接收器和/或第二光敏接收器包括光敏二极管、光敏三极管或光敏电阻。

7.根据权利要求1-3任一所述的一种基于导光板的结冰探测装置，其特征在于，当设置两个或两个以上的端面光源（40）时，各个所述端面光源（40）的发光波段不同。

8.一种结冰探测方法，其特征在于，将权利要求1所述的一种基于导光板的结冰探测装置嵌到飞机蒙皮的槽口中，使得所述导光板（10）的外侧面能够直接接触到飞机表面的积冰，开启一个端面光源（40）和光敏接收装置（30），获得飞机表面的已结冰区域。

9.一种结冰探测方法，其特征在于，将权利要求2-7任一所述的一种基于导光板的结冰探测装置嵌到飞机蒙皮的槽口中，使得所述导光板（10）的外侧面能够直接接触到飞机表面的积冰；并采用以下任意一种方式进行积冰探测：

（1） 开启精确测量光源（20）和光敏接收装置（30），测量精确测量光源（20）所在位置的积冰厚度；

（2）开启一个端面光源（40）和光敏接收装置（30），获得飞机表面的结冰区域。

10.根据权利要求9所述的结冰探测方法，其特征在于，当设置两个或两个以上发光波段不同的端面光源（40）时，根据积冰的类型选择端面光源（40）的类型；或根据不同波段的端面光源测得的结果分析积冰类型。

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