CN114153249B - 一种高精度的光纤结冰传感器、系统和方法 - Google Patents

一种高精度的光纤结冰传感器、系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种高精度的光纤结冰传感器、系统和方法，光纤结冰传感器包括相互连接的感应部和非感应部，所述非感应部上设置有测温区，所述测温区设置于所述非感应部的迎风面上，所述测温区用于获取非感应部表面的温度信息。本发明提供的光纤结冰传感器、系统和方法具有测量精确度高的特点。

Description

一种高精度的光纤结冰传感器、系统和方法
技术领域
本发明涉及风洞试验技术领域，尤其是涉及一种高精度的光纤结冰传感器、系统和方法。
背景技术
当飞机飞行于高空云雾环境中，机外迎风部件与过冷水滴撞击，部件表面结冰破坏了气动外形，导致气动性能下降，轻则影响飞行状态，重则引发飞行事故，另外相关研究表明结冰发生在不同部件有着很大的差异，关键部件有小量结冰的危害程度与大结冰量部件是等同的，因此结冰是飞行安全的危险源之一。为深入探究结冰问题和进一步优化防除冰手段，进行精确的结冰测量是非常有必要的，达到结冰定量、定性测量的要求，为相关研究提供可靠的依据。
结冰测量主要依靠结冰传感器来实现，目前机载常用的结冰传感器仅能输出有/无结冰信号，检测较为局限，而且其他区域防护方式较为单一，甚至未做防护考虑。光纤结冰传感器作为新兴结冰传感器之一，具有冰厚、冰型、覆冰区域测量等功能，但在结冰环境中应用光纤结冰传感器时，会出现测量不准确的现象，其测量结果难以应用于仿真试验中，因此限制了光纤结冰传感器在结冰环境中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够解决上述技术问题的高精度的光纤结冰传感器、系统和方法。
本发明一方面提供了一种高精度的光纤结冰传感器，包括相互连接的感应部和非感应部，所述非感应部上设置有测温区，所述测温区设置于所述非感应部的迎风面上，所述测温区用于获取非感应部表面的温度信息。
进一步的，所述感应部迎风面的截面与所述非感应部迎风面的截面相同
进一步的，所述感应部迎风面的截面与所述非感应部迎风面的截面不同。
进一步的，所述测温区包括多个测温点，所述测温点沿所述非感应部的周向设置。
本发明另一方面提供了一种防冰温度控制系统，包括测温系统、控制系统和防冰系统，所述控制系统连接所述测温系统和所述防冰系统，所述测温系统包括所述的光纤结冰传感器。
进一步的，所述控制系统连接测温区。
进一步的，所述防冰系统包括多个加热区域，所述加热区域沿所述非感应部的周向设置，所述加热区域的数量不超过所述测温点的数量。
本发明还提供了一种防冰温度控制方法，包括如下步骤：
步骤S10：开启所述的防冰温度控制系统；
步骤S20：当测温区温度小于预设温度值时，增大防冰功率，直至所述测温区温度满足预设温度值，所述测温区温度为所有测温点温度值的均值；
步骤S30：进入结冰环境。
进一步的，步骤S30中还包括：当测温点的时域温度变化量大于预设温度变化量时，增大防冰功率，直至时域温度变化量小于预设温度变化量，保持防冰功率；所述时域温度变化量为测温点在预设时间内的温度变化量。
进一步的，与所述非感应部的前缘距离越近的加热区域的防冰功率越大。
综上所述，本发明至少具有如下技术效果：
1. 本发明通过在所述非感应部上设置测温区，使得能够实时反馈非感应部表面的温度，为实现非感应部的有效防除冰提供了可能，同时也通过测温区温度的反馈为提高感应部的测量准确度提供了必要条件；
2. 本发明通过将测温区设置于非感应部的迎风面上，测温区用于获取非感应部表面的温度信息，实现了非感应部迎风面上温度的测量，使得在结冰环境中测温区能够真实反应非感应部迎风面的温度信息，从而为迎风面除冰功率的变化提供真实准确的数据参考；
3. 本发明通过设置多个测温点，并将测温点沿非感应部的周向布置，使得测温点能够反馈非感应部迎风面不同周向位置上的温度值和/或温度变化，进而根据不同测温点的温度值判断结冰区域的大小，从而反馈给防冰系统，实现非感应部的精确防冰除冰；
4. 本发明通过控制系统与测温系统和防冰系统连接，使得测温系统得到的温度值和/或温度变化能够及时通过控制系统得以反馈和调控，并通过测温系统控制防冰系统对光纤结冰传感器表面进行有效且精准的除冰；
5. 本发明通过控制测温区的温度满足预设温度值，从而避免了非感应部结冰对感应部结冰的气流场的影响，保障非感应部不结冰，避免由于非感应部结冰造成的感应部测量准确度的降低，提高了光纤结冰传感器的测量精确度；
6. 本发明通过当测温点的时域温度变化量大于预设温度变化量时，增大防冰功率，实现了对结冰区域的准确判断，并对得到的结冰区域进行精确的防冰除冰。
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是本发明中光纤结冰传感器的示意图一；
图2是本发明中光纤结冰传感器的示意图二；
图3是本发明中光纤结冰传感器的立体示意图；
图4是本发明中测温点和加热区域的示意图；
图5是本发明中防冰温度控制系统的示意图；
图6是本发明中防冰温度控制方法的流程示意图。
其中，100-光纤结冰传感器，110-非感应部，111-测温区，1111-测温点，112-非感应部迎风面，120-感应部，210-加热区域，211-第一加热区域，212-第二加热区域，213-第三加热区域，214-第四加热区域，215-第五加热区域。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"垂直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是多个或多个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接：可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是多个元件内部的连通或多个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
实施例一：
如图1、图2、图3所示，本发明实施例一提供了一种高精度的光纤结冰传感器100，包括相互连接的感应部120和非感应部110，所述非感应部110上设置有测温区111，所述测温区111设置于所述非感应部迎风面112上，所述测温区111用于获取非感应部110表面的温度信息。
申请人经过多次试验、观察，并结合申请人本身的实践经验发现：光纤结冰传感器100测量不准确的主要原因是由于感应部120以外的非感应部110在结冰环境中会发生结冰，而非感应部110的结冰会改变光纤结冰传感器100的结冰环境，影响感应部120的测量精度，进而导致光纤结冰传感器100的测量准确性差。
因此，申请人通过设置测温区111，实现对光纤结冰传感器100上非感应部110表面温度的测量，获得非感应部110表面温度的变化值，从而判断非感应部110表面是否结冰，以及结冰区域的大小，并非感应部110表面出现结冰后对非感应部110表面的结冰区域进行防冰除冰。
通过在所述非感应部110的迎风面上设置测温区111，使得能够实时反馈非感应部110表面的温度，为实现非感应部110的有效防除冰提供了可能，同时也通过测温区111温度的反馈为提高感应部120的测量准确度提供了必要条件。具体的，测温区111的覆盖面不做要求，但至少需要覆盖非感应部110迎风面的前缘，测温区111在边缘两侧延伸的长度不做具体限定，可根据需求进行设置，即如图1中的测温区111可仅覆盖非感应部110的迎风面的部分表面。
通过将测温区111设置于非感应部迎风面112上，测温区111用于获取非感应部110表面的温度信息，实现了非感应部迎风面112上温度的测量，使得在结冰环境中测温区111能够真实反应非感应部迎风面112的温度信息，从而为迎风面112除冰功率的变化提供真实准确的数据参考。
进一步的，如图1所示，所述感应部120迎风面的截面与所述非感应部110迎风面的截面相同。
进一步的，如图2所示，所述感应部120迎风面的截面与所述非感应部110迎风面的截面不同。
本实施例中对感应部120和非感应部110的截面不做具体限定，只要能够通过非感应部110上的测温区111实现对非感应部110表面温度的反馈，并通过反馈实现对非感应部110表面的防冰和除冰，从而有效避免非感应部110的结冰对感应部测量结果带来的影响即可。
并且，本实施例可应用于所述感应部120迎风面的截面与所述非感应部110迎风面的截面不同的情形，从而扩大了本实施例的应用范围，使得常见的光纤结冰传感器都能够通过本实施例中的方法进行改进，从而提高其测量精度。
进一步的，如图4所示，所述测温区111包括多个测温点，所述测温点沿所述非感应部110的周向设置。
通过设置多个测温点，并将测温点沿非感应部110的周向布置，使得测温点能够反馈非感应部110迎风面不同周向位置上的温度值和/或温度变化，进而根据不同测温点的温度值判断结冰区域的大小，从而反馈给防冰系统，实现非感应部110的精确防冰除冰。
实施例二：
如图5所示，本发明实施例二提供了一种防冰温度控制系统，包括测温系统、控制系统和防冰系统，所述控制系统连接所述测温系统和所述防冰系统，所述测温系统包括所述的光纤结冰传感器100。
通过控制系统与测温系统和防冰系统连接，使得测温系统得到的温度值和/或温度变化能够及时通过控制系统得以反馈和调控，并通过测温系统控制防冰系统对光纤结冰传感器100表面进行有效且精准的除冰。
进一步的，所述控制系统连接测温区111，具体的，控制系统与测温区中的多个测温点分别连接。
进一步的，如图4所示，所述防冰系统包括多个加热区域210，所述加热区域210沿所述非感应部110的周向设置，所述加热区域210的数量不超过所述测温点1111的数量。
加热区域210的数量做具体限定，只需能够通过加热区域210的设置实现对多个测温点进行分别加热即可。即当测温点数量为p，加热区域数量为q，则需要满足p≦q即可。
具体的，如图4所示，可将加热区域210设置为沿所述非感应部110的周向设置的第一加热区域211、第二加热区域212、第三加热区域213、第四加热区域214和第五加热区域215。其中，第一加热区211与第五加热区215轴向对称设置，且第一加热区211与第五加热区215上分别对称布置有两个测温点；第二加热区域212与第四加热区域214轴向对称设置，且第二加热区域212与第四加热区域214上分别对称布置有两个测温点；第三加热区域213的中心与非感应部迎风面112的对称轴重合，且沿迎风面的延伸方向布置有三个测温点。
测温系统得到非感应部110表面分布的温度点1111的温度数据，并反馈给控制系统；控制系统通过判断哪些温度点上存在结冰，从而获得非感应部110表面的结冰区域。控制系统输出加热控制功率数值给防冰系统，防冰系统控制加热区域210加热。
实施例三：
如图6所示，本发明实施例三提供了一种防冰温度控制方法，包括如下步骤：
步骤S10：开启所述的防冰温度控制系统；
步骤S20：当测温区111温度小于预设温度值时，增大防冰功率，直至所述测温区111温度满足预设温度值，所述测温区111温度为所有测温点温度值的均值；
步骤S30：进入结冰环境。
当光纤结冰传感器100进入结冰环境时，非感应部110表面的温度迅速降低至结冰温度，如0℃；但当非感应部110表面出现结冰，结冰区域的温度在短时间内会出现迅速变化，多数情况表现为温度上升斜率大，即结冰区域的温度变化量会超过预设温度变化量，进而将温度变化量作为反馈是否结冰的条件，从而得到结冰区域。
通过控制测温区111的温度满足预设温度值，从而保障非感应部110不结冰，避免由于非感应部110结冰造成的感应部120测量准确度的降低，提高了光纤结冰传感器100的测量精确度。
进一步的，步骤S30中还包括：当测温点的时域温度变化量大于预设温度变化量时，增大防冰功率，直至时域温度变化量小于预设温度变化量，保持防冰功率；所述时域温度变化量为测温点在预设时间内的温度变化量。
时域温度变化量用于表示测温点的温度数据出现短时变化的现象。如当预设时间为2秒，预设温度变化量为5时，测温点1111在第1秒的温度值为0℃，在第3秒的温度值为12℃，则测温点1111的时域温度变化量为（12-0）/2=6，此时，时域温度变化量大于预设温度变化量，则控制系统判断测温点1111处存在结冰，并向测温点1111对应的加热区域发出提高防冰功率的指令，直至测温点1111的时域温度变化量小于预设温度变化量。
通过当测温点的时域温度变化量大于预设温度变化量时，增大防冰功率，实现了对结冰区域的准确判断，并对得到的结冰区域进行精确的防冰除冰。
进一步的，与所述非感应部110的前缘距离越近的加热区域210的防冰功率越大。
根据第一加热区域211、第二加热区域212、第三加热区域213、第四加热区域214和第五加热区域215，将加热程序划分为三个等级，第三加热区域213为最低等级，第二加热区域212和第四加热区域214为较高等级，第一加热区域211和第五加热区域215为最高等级。这是由于，根据换热规律，越靠近前缘的换热量越大，即第三加热区域213的换热量最大，第二加热区域212和第四加热区域214的换热量较次、第一加热区域211和第五加热区域215的换热量最小，因此，当第一加热区域211和第五加热区域215出现结冰时，所以防冰功率相对最大。
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)

1.一种高精度的光纤结冰传感器的防冰温度控制方法，其特征在于，
包括测温系统、控制系统和防冰系统，所述控制系统连接所述测温系统和所述防冰系统，所述测温系统包括光纤结冰传感器；
所述光纤结冰传感器包括相互连接的感应部和非感应部，所述非感应部上设置有测温区，所述测温区设置于所述非感应部的迎风面上，所述测温区用于获取非感应部表面的温度信息；
所述控制系统连接测温区；
所述防冰温度控制方法包括如下步骤：
步骤S10：开启防冰温度控制系统；
步骤S20：当测温区温度小于预设温度值时，增大防冰功率，直至所述测温区温度满足预设温度值，所述测温区温度为所有测温点温度值的均值，所述防冰功率为防冰系统的功率；
步骤S30：进入结冰环境；
步骤S30中还包括：当测温点的时域温度变化量大于预设温度变化量时，增大防冰功率，直至时域温度变化量小于预设温度变化量，保持防冰功率；所述时域温度变化量为测温点在预设时间内的温度变化量。
2.如权利要求1所述防冰温度控制方法，其特征在于，所述防冰系统包括多个加热区域，所述加热区域沿所述非感应部的周向设置，所述加热区域的数量不超过测温点的数量，与所述非感应部的前缘距离越近的加热区域的防冰功率越大。
3.如权利要求2所述防冰温度控制方法，其特征在于，所述感应部迎风面的截面与所述非感应部迎风面的截面相同。
4.如权利要求2所述防冰温度控制方法，其特征在于，所述感应部迎风面的截面与所述非感应部迎风面的截面不同。
5.如权利要求1-4任一所述防冰温度控制方法，其特征在于，所述测温区包括多个测温点，所述测温点沿所述非感应部的周向设置。
6.一种防冰温度控制系统，其特征在于，用于执行如权利要求1-5任一所述的一种高精度的光纤结冰传感器的防冰温度控制方法。
7.如权利要求6所述一种防冰温度控制系统，其特征在于，所述控制系统连接测温区。
8.如权利要求6所述一种防冰温度控制系统，其特征在于，所述防冰系统包括多个加热区域，所述加热区沿所述非感应部的周向设置，所述加热区域的数量不超过测温点的数量。
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