CN114162331B - 一种结冰探测装置及结冰探测方法 - Google Patents

一种结冰探测装置及结冰探测方法 Download PDF

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    • B64D15/20—Means for detecting icing or initiating de-icing

Abstract

本发明适用于飞行器结冰探测技术领域，提供了一种结冰探测装置及结冰探测方法，包括：探测部，所述探测部安装在飞行器蒙皮表面；光传感器，所述光传感器设置在所述探测部所覆盖的下方区域内；所述光传感器包括基板、光发射模块和光接收模块，所述光发射模块和光接收模块均安装在所述基板上，所述光发射模块包括光发射电路和半导体光发射单元，所述光接收模块包括感光单元；所述感光单元环绕阵列设置于所述半导体光发射单元周围；信号处理单元，所述信号处理单元连接所述光传感器。感光单元结构尺寸可以做到更小，每一个感光单元均会对接收到的入射光进行处理，将光信号转化为电信号，最终可以得到探测部表面的结冰冰型、冰结构以及冰厚度等信息。

Description

一种结冰探测装置及结冰探测方法
技术领域
本发明属于结冰探测领域，本发明涉及一种结冰探测装置，尤其是涉及一种结冰探测方法。
背景技术
飞机在飞行中遇到结冰气象时机翼、机头及发动机等部位会发生结冰，对飞行安全产生重大隐患。为了保证飞行安全，现在飞机上大都配有结冰传感器，探测飞机上是否结冰。
当前常见的结冰传感器为光纤式结冰传感器，其结构由探测端面、光发射电路、光信号检测电路、信号处理电路组成，探测端面与光发射电路和光信号检测电路之间分别是发射光纤束和接收光纤束。工作原理为：光发射电路产生一定波段的光，由发射光纤入射到探测端面的积冰中，光在冰内发生反射、折射和散射等作用后有一定的光入射到接收光纤中，光信号检测电路将接收光纤中的光信号转换为电信号，由信号处理电路进行处理进而根据光电流与冰厚的关系得到结冰信息。
在光纤式结冰传感器中，入射到接收光纤内的光强决定了光电流的大小，对结冰传感器的灵敏度、精度等性能有重要影响。由于受到接收光纤结构限制，从而导致入射角的限制，只有在入射角内的光束才能入射到接收光纤中，这很大程度上限制了结冰传感器的性能。此外，光信号检测电路只能将接收光纤束中的光信号叠加后一起转换成电信号，无法得到入射光的空间分布特征，影响了结冰传感器感知到的结冰信息。
发明内容
本发明的目的是提供，
一种结冰探测装置，包括：
探测部，所述探测部安装在飞行器蒙皮表面；
光传感器，所述光传感器设置在所述探测部所覆盖的下方区域内；所述光传感器包括基板、光发射模块和光接收模块，所述光发射模块和光接收模块均安装在所述基板上，所述光发射模块包括光发射电路和半导体光发射单元，所述光接收模块包括感光单元；所述感光单元环绕阵列设置于所述半导体光发射单元周围；
信号处理单元，所述信号处理单元连接所述光传感器。
优选地，所述探测部为透光材质。
优选地，所述探测部的外表面与所述飞行器的蒙皮表面平滑过渡。
优选地，所述光传感器的表面形状与所述探测部的表面形状相互匹配。
优选地，还包括电路板，所述光传感器安装在所述电路板上，所述电路板固定安装在飞行器蒙皮的内侧。
优选地，还包括支撑垫，所述支撑垫设置于所述电路板与所述蒙皮之间，所述光传感器位于所述电路板与所述蒙皮之间的间隙内。
优选地，所述半导体光发射单元设置于所述光传感器的中心区域，所述感光单元阵列分布设置于所述光传感器的外围。
优选地，所述感光单元环形阵列设置并形成第一环形阵列和第二环形阵列，所述光传感器设置于所述第一环形阵列与所述第二环形阵列之间的区域内。
优选地，所述半导体光发射单元采用红外光发射材料，所述感光单元采用光敏材料。
优选地，一种使用上述的结冰探测装置的结冰探测方法，包括步骤如下：
步骤10：所述光传感器发射并接收光信号，并将接收的光信号转换为电信号；
步骤20：将所述光接收模块中感光单元各阵列点处电信号进行降噪和放大处理；
步骤30：对所述光接收模块中感光单元各阵列点进行扫描，并以预设模式将各阵列点处的电信号输出；
步骤40：对电信号进行处理，建立电信号与结冰厚度、冰结构、冰型之间的关系；
步骤50：获得探测部的结冰速率、结冰厚度、冰内部结构以及冰型信息。
有益效果：
1、本发明中，探测部镶嵌在飞行器的外壁上，并且探测部的外表面与飞行器蒙皮的外表现形成平滑的过渡曲面，从而不会影响飞行器的气动外形。
2、本发明中，感光单元结构尺寸可以做到更小，更密集，并且感光单元可以接收到任意入射角度的光，不受入射角限制。同时，每一个感光单元均会对接收到的入射光进行处理，将光信号转化为电信号，最终可以得到探测部表面的结冰冰型、冰结构以及冰厚度等信息；而光纤式结冰传感器将所有的光信号做整体处理。
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是结冰探测装置结构及光传感器安装示意图；
图2是本发明中的光传感器感光单元第一分布示意图；
图3是本发明中的光传感器感光单元第二分布示意图。
附图中，1、光传感器；2、探测部；3、信号处理单元；4、电路板；5、蒙皮；6、支撑垫；7、线路；10、基板；11、光发射模块；12、光接收模块；13、半导体光发射单元；14、感光单元；41、安装孔。
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。
请结合图1所示，本发明提供了一种结冰探测装置，包括：
探测部2，所述探测部2安装在飞行器蒙皮5表面；该探测部2采用光学玻璃材料制作，该光学玻璃对红外或近红外光具有很好的透过性；具体地，本探测部2镶嵌在飞行器的外壁上，并且探测部2的外表面与飞行器蒙皮5的外表现形成平滑的过渡曲面，从而不会影响飞行器的气动外形。
光传感器1，所述光传感器1设置在所述探测部2所覆盖的下方区域内；具体地，探测部2与飞行器蒙皮5成为一整体，飞行器蒙皮5封闭包裹飞行器，因此上述的探测部2所覆盖的下方区域指的是飞行器蒙皮5朝向飞行器以里的位置，并非解释为简单意义中的上下关系。其中，所述光传感器1的表面形状与所述探测部2的表面形状相互匹配。本探测装置还包括电路板4，所述光传感器1安装在所述电路板4上，所述电路板4固定安装在飞行器蒙皮5的内侧。具体地，请结合图1所示，将光传感器1焊接在电路板4上，再通过安装孔41将电路板4固定安装在飞行器的蒙皮5内侧，在光传感器1和电路板4之间设置支撑垫6，所述支撑垫6设置于所述电路板4与所述蒙皮5之间，所述光传感器1位于所述电路板4与所述蒙皮5之间的间隙内；其中，该支撑垫6将电路板4和蒙皮5之间的间隙进行密封，其目的在于防止异物进入至该间隙之中，对光传感器1的发射光和接受光造成影响。支撑垫6的形状为一个封闭的环形，该支撑垫6圈设在电路板4的外围，其环形结构尺寸与电路板4表面形状相当，并略小于电路板4表面，采用螺栓固定电路板4后支撑垫6受挤压，从而使电路板4和蒙皮5进行之间的间隙与外部环境隔离，其中支撑垫6的材质可以采用橡胶圈或其它的密封件，采用不同厚度的支撑垫6或者对固定螺栓施加不同的预紧力可以调节光传感器1到探测部2之间的距离，进而可以调节从探测部2入射至光传感器1的角度。
请结合图2和图3所示，所述光传感器1包括基板10、光发射模块11和光接收模块12，所述光发射模块11和光接收模块12均安装在所述基板10上，所述光发射模块11包括光发射电路和半导体光发射单元13，所述光接收模块12包括感光单元14；所述感光单元14环绕阵列设置于所述半导体光发射单元13周围。
具体地，请结合图2所示，所述半导体光发射单元13设置于所述光传感器1的中心区域，所述感光单元14阵列分布设置于所述光传感器1的外围。
在其它实施例中，请结合图3所示，所述感光单元14环形阵列设置并形成第一环形阵列和第二环形阵列，所述光传感器1设置于所述第一环形阵列与所述第二环形阵列之间的区域内。或者，感光单元14和半导体光发射单元13还可以混合设置。所述半导体光发射单元13采用红外光发射材料，例如：砷化镓、砷铝化镓等，所述感光单元14采用光敏材料，例如：砷化铟镓。每个感光单元14均可以吸收不同波段的入射光，并将该光信号转化为电信号。与现有的光纤结冰传感器不同的是，感光单元14结构尺寸可以做到更小，更密集，并且感光单元14可以接收到任意入射角度的光，而光纤结冰传感器仅能接收固定角度的入射光，因此采用光纤结冰传感器将屏蔽掉非指定角度的入射光，但感光单元14不受入射角限制。同时，每一个感光单元14均会对接收到的入射光进行处理，将光信号转化为电信号，最终可以得到探测部2表面的结冰冰型、冰结构以及冰厚度等信息；而光纤式结冰传感器将所有的光信号做整体处理，最终只能得到模糊的结冰信号。
信号处理单元3，所述信号处理单元3连接所述光传感器1。光传感器1中，每个阵列点上的感光单元14光电转化后的电信号通过线路7输入至信号处理单元3；信号处理单元3用于给光发射模块11供电以及对感光单元14转化后的电信号进行降噪、放大和扫描等处理，并输出给出相应的结冰信号。
信号处理单元3包括微弱信号处理模块、逻辑控制模块、结冰信息处理模块和电源模块等组成。通过上述模块进行信号处理最终得到结冰信号。
在本发明中，提供了一种使用上述的结冰探测装置的结冰探测方法，包括步骤如下：
步骤10：所述光传感器1发射并接收光信号，并将接收的光信号转换为电信号；具体地，电源模块对半导体光发射单元13供电，发射红外光，感光单元14接收入射光信号，并将入射光信号转化为电信号。
步骤20：微弱信号处理模块将所述光接收模块12中感光单元14各阵列点处电信号进行降噪和放大处理；
步骤30：所述逻辑控制模块按设定的程序对所述光接收模块12中感光单元14各阵列点进行扫描，并以预设模式将各阵列点处的电信号输出到所述结冰信息处理模块；
步骤40：所述结冰信息处理模块对电信号进行处理，建立电信号与结冰厚度、冰结构、冰型之间的关系；
步骤50：获得探测部2的结冰速率、结冰厚度、冰内部结构以及冰型信息。
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)

1.一种结冰探测装置，其特征在于，包括：
探测部，所述探测部安装在飞行器蒙皮表面；
光传感器，所述光传感器设置在所述探测部所覆盖的下方区域内；所述光传感器包括基板、光发射模块和光接收模块，所述光发射模块和光接收模块均安装在所述基板上，所述光发射模块包括光发射电路和半导体光发射单元，所述光接收模块包括感光单元；所述感光单元环绕阵列设置于所述半导体光发射单元周围，所述感光单元采用光敏材料；
信号处理单元，所述信号处理单元连接所述光传感器。
2.根据权利要求1中所述的结冰探测装置，其特征在于：所述探测部为透光材质。
3.根据权利要求2中所述的结冰探测装置，其特征在于：所述探测部的外表面与所述飞行器的蒙皮表面平滑过渡。
4.根据权利要求1中所述的结冰探测装置，其特征在于：所述光传感器的表面形状与所述探测部的表面形状相互匹配。
5.根据权利要求1中所述的结冰探测装置，其特征在于：还包括电路板，所述光传感器安装在所述电路板上，所述电路板固定安装在飞行器蒙皮的内侧。
6.根据权利要求5中所述的结冰探测装置，其特征在于：还包括支撑垫，所述支撑垫设置于所述电路板与所述蒙皮之间，所述光传感器位于所述电路板与所述蒙皮之间的间隙内。
7.根据权利要求1中所述的结冰探测装置，其特征在于：所述半导体光发射单元设置于所述光传感器的中心区域，所述感光单元阵列分布设置于所述光传感器的外围。
8.根据权利要求1中所述的结冰探测装置，其特征在于：所述感光单元环形阵列设置并形成第一环形阵列和第二环形阵列，所述光传感器设置于所述第一环形阵列与所述第二环形阵列之间的区域内。
9.根据权利要求1中所述的结冰探测装置，其特征在于：所述半导体光发射单元采用红外光发射材料。
10.一种使用如权利要求1-9任一项所述的结冰探测装置的结冰探测方法，其特征在于，步骤如下：
步骤10：所述光传感器发射并接收光信号，并将接收的光信号转换为电信号；
步骤20：将所述光接收模块中感光单元各阵列点处电信号进行降噪和放大处理；
步骤30：对所述光接收模块中感光单元各阵列点进行扫描，并以预设模式将各阵列点处的电信号输出；
步骤40：对电信号进行处理，建立电信号与结冰厚度、冰结构、冰型之间的关系；
步骤50：获得探测部的结冰速率、结冰厚度、冰内部结构以及冰型信息。
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