CN117368232A - 一种微型积冰积水传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微型积冰积水传感器，涉及传感器技术领域，包括：检测微带电路板、主电路板和金属外壳；检测微带电路板的一端与主电路板的一端固定设置，金属外壳套设在主电路板的外侧；检测微带电路板内设置有微波微带线，微波微带线的微波输入端口和微波输出端口均与主电路板连接；主电路板用于向微波微带线的微波输入端口发射微波信号，并检测微波微带线的微波输出端口输出的返回微波信号，根据返回微波信号得到微波波长和微波相位，基于微波波长和微波相位确定积冰积水状态，并基于微波相位和温度值确定积冰厚度。本发明通过微型积冰积水传感器基于微波波长、微波相位和温度值确定积冰积水状态和积冰厚度，减少了检测设备的体积和重量。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种微型积冰积水传感器。
背景技术
目前探空气球或者降落伞搭载的只有温度湿度气压传感器，结冰的情况并不能直接测出来，是根据温湿度条件推测出来的。对于湿度传感器来说，一旦结冰，湿度传感器也就失去了检测的作用。因为湿度传感器用的是吸湿材料，一旦所吸水分低温下凝结成冰，就无法再进行检测。对于气压传感器也是这样，一旦进气出气口结冰，气压也就不能有效检测了。
目前地面应用的各种结冰传感器，存在体积大，重量重，成本高的问题，没办法做成小巧轻盈的结构。在很多应用场合，需要体积小，重量轻、成本低、功耗低、灵敏度高的产品。
发明内容
本发明的目的是提供一种微型积冰积水传感器，可通过微型积冰积水传感器基于微波波长、微波相位和温度值确定积冰积水状态和积冰厚度，减少检测设备的体积和重量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微型积冰积水传感器，所述传感器包括检测微带电路板、主电路板和金属外壳；
所述检测微带电路板的一端与所述主电路板的一端固定设置，所述金属外壳套设在所述主电路板的外侧；
所述检测微带电路板内设置有微波微带线，所述微波微带线的微波输入端口和微波输出端口均与所述主电路板连接；
所述主电路板用于向所述微波微带线的微波输入端口发射微波信号，并检测微波微带线的微波输出端口输出的返回微波信号，根据返回微波信号得到微波波长和微波相位，基于微波波长和所述主电路板中的温度检测模块获取的温度值确定积冰积水状态，并基于微波相位和所述主电路板中的温度检测模块获取的温度值确定积冰厚度。
可选的，所述传感器还包括：电源信号插接件；
所述电源信号插接件与所述主电路板的另一端固定设置，所述电源信号插接件与所述主电路板连接。
可选的，所述传感器还包括：前密封电路板和后密封电路板；
所述前密封电路板设置于所述检测微带电路板的一端和所述主电路板的一端之间，所述前密封电路板用于密闭所述金属外壳的一端；
所述后密封电路板设置于所述主电路板的另一端和所述电源信号插接件之间，所述后密封电路板用于密闭所述金属外壳的另一端。
可选的，所述传感器还包括：第一紧固螺母和第二紧固螺母；
所述金属外壳通过所述第一紧固螺母和所述第二紧固螺母拧紧固定在探空气球或降落伞的吊舱侧壁上。
可选的，所述检测微带电路板内还设置有屏蔽接地层，所述屏蔽接地层缠附于所述微波微带线上。
可选的，所述主电路板具体包括：电源控制模块、微控制器、微波信号发生模块、微波检测模块、温度检测模块；
所述电源控制模块的分别与所述微控制器、所述微波信号发生模块、所述微波检测模块、所述温度检测模块、所述检测微带电路板和所述电源信号插接件连接；
所述微波信号发生模块与所述微波微带线的微波输入端口连接，所述微波微带线的微波输出端口与所述微波检测模块连接，所述微波检测模块用于根据返回微波信号得到微波波长和微波相位；
所述微控制器分别与所述微波检测模块和所述温度检测模块连接，所述温度检测模块用于获取温度值，所述微控制器用于基于微波波长和温度值确定积冰积水状态，并基于微波相位和温度值确定积冰厚度。
可选的，在基于微波波长和温度值确定积冰积水状态方面，所述微控制器具体用于：
当返回的微波检测信号的波长λx大于0.95λa时，则输出的出积冰积水状态信息为干燥状态；
当温度值大于5℃，返回的微波检测信号的波长λx小于λi时，则输出的出积冰积水状态信息为积水状态；
当温度值小于5℃，返回的微波检测信号的波长λx大于λi小于0.95λa，且返回的微波检测信号的波长λx在10s内的波动范围大于0.1λa时，则输出的出积冰积水状态信息为积水状态；
当温度值小于5℃，返回的微波检测信号的波长λx大于λi小于0.95λa，返回的微波检测信号的波长λx在10s内的波动范围小于0.1λa，且第一波长预设值λa持续减小时，则输出的出积冰积水状态信息为积冰状态；
当温度值小于5℃，返回的微波检测信号的波长λx大于λi小于0.95λa，返回的微波检测信号的波长λx在10s内的波动范围小于0.1λa，且第一波长预设值λa持续减小的情况出现后，第一波长预设值λx又出现在10s内的波动范围大于0.1λa的情况，则输出的出积冰积水状态信息为融冰状态；
其中，λa为实验室干燥空气状态下的标定波长；λi实验室为纯冰状态下的标定波长。
可选的，在基于微波相位和温度值确定积冰厚度方面，所述微控制器具体用于：将微波波长和微波相位代入神经网络模型计算得到积冰厚度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过微型积冰积水传感器基于微波波长、微波相位和温度值确定积冰积水状态和积冰厚度，减少了检测设备的体积和重量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的微型积冰积水传感器的第一结构图；
图2为本发明实施例提供的微型积冰积水传感器的第二结构图；
图3为本发明实施例提供的微波微带线的结构图；
图4为本发明实施例提供的微型积冰积水传感器的位置结构图；
图5为本发明实施例提供的微型积冰积水传感器的模块连接图；
图6为本发明实施例提供的电源插接件的连接图；
图7为本发明实施例提供的主电路板接口示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种微型积冰积水传感器，通过通过微型积冰积水传感器基于微波波长、微波相位和温度值确定积冰积水状态和积冰厚度，减少检测设备的体积和重量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图2所示，本发明提供了一种微型积冰积水传感器，所述传感器包括检测微带电路板、主电路板和金属外壳。
所述检测微带电路板的一端与所述主电路板的一端固定设置，所述金属外壳套设在所述主电路板的外侧；检测微带电路板裸露在大气中，用来检测受大气环境影响吸附在其表面的积水或者积冰。
如图3所示，所述检测微带电路板内设置有微波微带线，所述微波微带线的微波输入端口和微波输出端口均与所述主电路板连接；可选的，所述检测微带电路板内还设置有屏蔽接地层，所述屏蔽接地层缠附于所述微波微带线上。
所述主电路板用于向所述微波微带线的微波输入端口发射微波信号，并检测微波微带线的微波输出端口输出的返回微波信号，根据返回微波信号得到微波波长和微波相位，基于微波波长和所述主电路板中的温度检测模块获取的温度值确定积冰积水状态，并基于微波相位和所述主电路板中的温度检测模块获取的温度值确定积冰厚度。可选的，主电路板发射的微波信号的输出频率范围为240～960MHz，信号强度为-7～13dbM。
如图5所示，所述主电路板具体包括：电源控制模块、微控制器、微波信号发生模块、微波检测模块、温度检测模块。
所述电源控制模块的分别与所述微控制器、所述微波信号发生模块、所述微波检测模块、所述温度检测模块、所述检测微带电路板和所述电源信号插接件连接；如图7所示，电源控制模块将外接+5V电源转换成3.3V长期提供给微控制器，微控制器还可以控制所述微控制器、所述微波信号发生模块、所述微波检测模块、所述温度检测模块、所述检测微带电路板的供电电源。
所述微波信号发生模块与所述微波微带线的微波输入端口连接，所述微波微带线的微波输出端口与所述微波检测模块连接，所述微波检测模块用于根据返回微波信号得到微波波长和微波相位；微控制器还与微波信号发生模块连接，微控制器可以通过数字接口控制微波信号发生模块输出可变频率功率的微波信号，微控制器还可以通过模拟量接口接收微波检测模块通过直流电压信号输出的微波波长和微波相位，并且还可以接收温度检测模块输出的温度值。
所述微控制器分别与所述微波检测模块和所述温度检测模块连接，所述温度检测模块用于获取温度值，所述微控制器用于基于微波波长和温度值确定积冰积水状态，并基于微波相位和温度值确定积冰厚度。温度检测模块通过热敏电阻将温度转化成电压并送给微控制器。
作为一种可选的实施方式，所述传感器还包括：电源信号插接件。
如图6-图7所示，所述电源信号插接件与所述主电路板的另一端固定设置，所述电源信号插接件与所述主电路板连接。电源信号接插件用来连接外部的供电电源和通讯信号。可选的，所述电源信号插接件的电源端口与所述电源控制模块连接；所述电源信号插接件的信号输入端与所述微控制器的RXD接口连接；所述电源信号插接件的信号输出端与所述微控制器的TXD接口连接；所述电源信号插接件与外部的上位机或通讯模块连接；所述电源信号插接件用于接收外部上位机的指令，并将指令传输至所述微控制器，并接将微波波长、微波相位、温度值、积冰积水状态信息和积冰厚度信息传输至外部上位机。
作为一种可选的实施方式，所述传感器还包括：前密封电路板和后密封电路板。
所述前密封电路板设置于所述检测微带电路板的一端和所述主电路板的一端之间，所述前密封电路板用于密闭所述金属外壳的一端。
所述后密封电路板设置于所述主电路板的另一端和所述电源信号插接件之间，所述后密封电路板用于密闭所述金属外壳的另一端。
如图4所示，作为一种可选的实施方式，所述传感器还包括：第一紧固螺母和第二紧固螺母。
所述金属外壳通过所述第一紧固螺母和所述第二紧固螺母拧紧固定在探空气球或降落伞的吊舱侧壁上。所述金属外壳还可以通过所述第一紧固螺母和所述第二紧固螺母拧紧固定在无人机或无人飞伞的吊舱侧壁上。
本发明中的微型积冰积水传感器的工作原理如下：
微波信号在稳定的环境传输过程中，其频率一般保持不变，其波长受传输介质的影响，微波的波长公式为：
其中，c为光速，f为频率，ε为介电常数，μ为磁导率。
在频率不变的前提下，如果介质的介电常数低，则波长长，如果介电常数高，则波长短。因此如果介质是空气，则波长最长，如果介质是水，则波长只有空气中的1/9，如果介质是冰，由于冰的介电常数高于空气，低于水，则波长比在空气中短，比在水中长。
本发明中，主电路板密封在金属外壳内，其微波信号发生模块发射的微波信号输出到检测微带电路板的输入端口之前，由于环境温度并屏蔽，其波长是一个固定值，输出到检测微带电路板上的微波信号经过微带电路后，返回到主电路板，此时的返回微波信号受到检测微带电路板表面的介质影响，其波长会发生变化。如果检测微带电路板上除空气外没有任何介质，则其波长的变化仅受检测微带电路板本身的特性影响，也是一个固定值。如果检测微带电路板上有冰，则返回的微波信号波长会变短，如果检测微带电路板上有水，则返回的微波信号波长更短。
作为一种可选的实施方式，在基于微波波长和温度值确定积冰积水状态方面，所述微控制器具体用于：
当返回的微波检测信号的波长λx大于0.95λa时，则输出的出积冰积水状态信息为干燥状态。
当温度值大于5℃，返回的微波检测信号的波长λx小于λi时，则输出的出积冰积水状态信息为积水状态。
当温度值小于5℃，返回的微波检测信号的波长λx大于λi小于0.95λa，且返回的微波检测信号的波长λx在10s内的波动范围大于0.1λa时，则输出的出积冰积水状态信息为积水状态。
当温度值小于5℃，返回的微波检测信号的波长λx大于λi小于0.95λa，返回的微波检测信号的波长λx在10s内的波动范围小于0.1λa，且第一波长预设值λa持续减小时，则输出的出积冰积水状态信息为积冰状态。如果λx持续变小，越来越接近λi，说明积冰程度越来越严重。
当温度值小于5℃，返回的微波检测信号的波长λx大于λi小于0.95λa，返回的微波检测信号的波长λx在10s内的波动范围小于0.1λa，且第一波长预设值λa持续减小的情况出现后，第一波长预设值λx又出现在10s内的波动范围大于0.1λa的情况，则输出的出积冰积水状态信息为融冰状态。
其中，λa为实验室干燥空气状态下的标定波长；λi实验室为纯冰状态下的标定波长。λa和λi可预先存储在微控制器中，此外微控制器还可以存储λw，λw为实验室纯水状态下的标定波长。
作为一种可选的实施方式，在基于微波相位和温度值确定积冰厚度方面，所述微控制器具体用于：将微波波长和微波相位代入神经网络模型计算得到积冰厚度。
作为一种可选的实施方式，低功耗的实现：
本发明中的微型积冰积水传感器还可以实现低功耗运行，实现低功耗运行的目的有两个，一个是降低功耗增加电池供电的寿命，另一个是减少器件发热，避免造成温度检测误差和检测微带天线不容易积冰，影响检测精度。
由于微波发生模块、微波波长检测模块和温度检测模块的功耗比较大，因此电源控制模块可以采用分时检测的方法对其进行供电。
此外，微控制器本身也有一定的功耗，因此微控制器可采用低功耗定时唤醒的模式，周期可以设定为10ms-1s，过程如下：
微控制器初始化。
微控制器控制电源控制模块允许各模块部分供电。
微控制器初始化微波信号发生模块，控制其输出预设频率和功率的文博信号。
微控制器接收微波检测模块通过直流电压信号发来的微波波长和微波相位。
微控制器采集温度检测模块通过直流电压信号发来的温度值。
微控制器进行计算处理，得到积冰积水状态、积冰厚度。
积冰积水状态、积冰厚度、微波波长、微波相位、温度值数据通过通讯接口输出到上位机或通讯模块。
微控制器重新进入休眠状态。
本发明通过微型积冰积水传感器基于微波波长、微波相位和温度值确定积冰积水状态和积冰厚度，减少了检测设备的体积和重量使检测装置根伟轻便，可以适应更多的场合，同时微型积冰积水传感器还可以低功耗运行，即降低了能耗，还通过减少发热而提高传感器精度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种微型积冰积水传感器，其特征在于，所述传感器包括检测微带电路板、主电路板和金属外壳；
所述检测微带电路板的一端与所述主电路板的一端固定设置，所述金属外壳套设在所述主电路板的外侧；
所述检测微带电路板内设置有微波微带线，所述微波微带线的微波输入端口和微波输出端口均与所述主电路板连接；
所述主电路板用于向所述微波微带线的微波输入端口发射微波信号，并检测微波微带线的微波输出端口输出的返回微波信号，根据返回微波信号得到微波波长和微波相位，基于微波波长和所述主电路板中的温度检测模块获取的温度值确定积冰积水状态，并基于微波相位和所述主电路板中的温度检测模块获取的温度值确定积冰厚度。
2.根据权利要求1所述的微型积冰积水传感器，其特征在于，所述传感器还包括：电源信号插接件；
所述电源信号插接件与所述主电路板的另一端固定设置，所述电源信号插接件与所述主电路板连接。
3.根据权利要求2所述的微型积冰积水传感器，其特征在于，所述传感器还包括：前密封电路板和后密封电路板；
所述前密封电路板设置于所述检测微带电路板的一端和所述主电路板的一端之间，所述前密封电路板用于密闭所述金属外壳的一端；
所述后密封电路板设置于所述主电路板的另一端和所述电源信号插接件之间，所述后密封电路板用于密闭所述金属外壳的另一端。
4.根据权利要求1所述的微型积冰积水传感器，其特征在于，所述传感器还包括：第一紧固螺母和第二紧固螺母；
所述金属外壳通过所述第一紧固螺母和所述第二紧固螺母拧紧固定在探空气球或降落伞的吊舱侧壁上。
5.根据权利要求1所述的微型积冰积水传感器，其特征在于，所述检测微带电路板内还设置有屏蔽接地层，所述屏蔽接地层缠附于所述微波微带线上。
6.根据权利要求1所述的微型积冰积水传感器，其特征在于，所述主电路板具体包括：电源控制模块、微控制器、微波信号发生模块、微波检测模块、温度检测模块；
所述电源控制模块的分别与所述微控制器、所述微波信号发生模块、所述微波检测模块、所述温度检测模块、所述检测微带电路板和所述电源信号插接件连接；
所述微波信号发生模块与所述微波微带线的微波输入端口连接，所述微波微带线的微波输出端口与所述微波检测模块连接，所述微波检测模块用于根据返回微波信号得到微波波长和微波相位；
所述微控制器分别与所述微波检测模块和所述温度检测模块连接，所述温度检测模块用于获取温度值，所述微控制器用于基于微波波长和温度值确定积冰积水状态，并基于微波相位和温度值确定积冰厚度。
7.根据权利要求6所述的微型积冰积水传感器，其特征在于，在基于微波波长和温度值确定积冰积水状态方面，所述微控制器具体用于：
当返回的微波检测信号的波长λx大于0.95λa时，则输出的出积冰积水状态信息为干燥状态；
当温度值大于5℃，返回的微波检测信号的波长λx小于λi时，则输出的出积冰积水状态信息为积水状态；
当温度值小于5℃，返回的微波检测信号的波长λx大于λi小于0.95λa，且返回的微波检测信号的波长λx在10s内的波动范围大于0.1λa时，则输出的出积冰积水状态信息为积水状态；
当温度值小于5℃，返回的微波检测信号的波长λx大于λi小于0.95λa，返回的微波检测信号的波长λx在10s内的波动范围小于0.1λa，且第一波长预设值λa持续减小时，则输出的出积冰积水状态信息为积冰状态；
当温度值小于5℃，返回的微波检测信号的波长λx大于λi小于0.95λa，返回的微波检测信号的波长λx在10s内的波动范围小于0.1λa，且第一波长预设值λa持续减小的情况出现后，第一波长预设值λx又出现在10s内的波动范围大于0.1λa的情况，则输出的出积冰积水状态信息为融冰状态；
其中，λa为实验室干燥空气状态下的标定波长；λi实验室为纯冰状态下的标定波长。
8.根据权利要求6所述的微型积冰积水传感器，其特征在于，在基于微波相位和温度值确定积冰厚度方面，所述微控制器具体用于：将微波波长和微波相位代入神经网络模型计算得到积冰厚度。
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