一种基于阻抗测量的结冰探测系统及探测方法

技术领域

本发明属于防除冰技术领域，涉及一种基于阻抗测量的结冰探测系统及探测方法。

背景技术

结冰探测系统作为飞机在结冰气象条件下飞行时，用于探测飞机表面是否存在结冰的专用探测与告警设备。老式的结冰探测装置都是嵌入飞机蒙皮内部并外露探头进行结冰探测，安装位置固定，整套装置存在重量大的缺点，外露探头材料为功能材料，其抗干扰能力较差，材料易受损。且无法满足目前部分飞机隐身性的要求。

为满足飞机结冰探测系统隐身性的高要求，在传统的结冰探测装置上，进行优化设计。采用阻抗测量原理，设计和开发了一种阻抗式的结冰探测系统。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于阻抗测量的结冰探测系统及探测方法，具有探测飞机蒙皮表面结冰情况功能，满足新一代飞机对传感器体积、重量和隐身性的要求。传感器通过平行安装在机翼表面的电极产生一个有效的前沿旋向结冰探测区域。在较大范围内都能进行结冰探测。

本发明的技术方案是：

一种基于阻抗测量的结冰探测系统，包括结冰探测控制器以及若干个阻抗式结冰探测器，所述的若干个阻抗式结冰探测器分别与冰探测控制器连接，所述的结冰探测控制器包括驱动电路板(2－1)、信号处理电路板(2－2)、滤波电源电路板(2－3)，所述的阻抗式结冰探测器包括温度传感器(1－2)和阻抗电极(1－1)，所述的温度传感器(1－2)与驱动电路板(2－1)双向连接，驱动电路板(2－1)给温度传感器(1－2)提供电压信号，温度传感器(1－2)给驱动电路板(2－1)提供温度信号，阻抗电极(1－1)与驱动电路板(21－)连接，给驱动电路板(2－1)提供阻抗信号，滤波电源电路板(2－3)分别与驱动电路板(2－1)、阻抗电极(1－1)连接，给驱动电路板(2－1)提供交流电压信号，给阻抗电极(1－1)提供激励信号，驱动电路板(2－1)与信号处理电路板(2－2)连接，给信号处理电路板(2－2)提供驱动信号，信号处理电路板(2－2)与上位机连接，给上位机提供告警/故障信号，上位机与滤波电源电路板(2－3)连接，给滤波电源电路板(2－3)提供交流电压，所述的滤波电源电路板(2－3)与信号处理电路板(2－2)连接，给信号处理电路板(2－2)提供供电电压信号。

进一步，包括阻抗电极(1－1)、温度传感器(1－2)、支撑壳体(1－3)、插座(1－4)，所述的阻抗电极(1－1)数量为偶数个，阻抗电极(1－1)分离的设置在支撑壳体(1－3)表面，所述的温度传感器(1－2)设置在支撑壳体(1－3)的表面，所述的阻抗电极(1－1)与插座(1－4)连接。

进一步，所述的支撑壳体(1－3)为弧形结构，所述的弧形结构包括内凹面和外凸面，所述的内凹面与飞机机翼前缘形状相适配，所述的外凸面上设置有温度传感器(1－2)、阻抗电极(1－1)。

进一步，所述的温度传感器(1－2)、阻抗电极(1－1)通过高温粘接剂粘接到外凸面上。

进一步，所述的阻抗电极(1－1)由惰性金属铂材料支撑，所述的支撑壳体(1－3)采用与飞机机翼相兼容的复合材料。

进一步，结构上还包括插座(2－4)、底座(2－5)、后盖(2－6)、滤波电源电路板(2－3)、信号处理电路板(2－2)、驱动电路板(2－1)通过支柱依次叠放在后盖(2－6)与底座(2－5)内，插座(2－4)安装在后盖(2－6)侧部。

进一步，所述的阻抗式结冰探测器为2个，分别布置在飞机左右机翼前缘。

进一步，驱动电路板(2－1)包括阻抗测量模块、阻抗调节模块、温度测量模块，温度信号和阻抗信号分别通过温度测量模块、阻抗测量模块进行信号处理和A/D转换，将阻抗信号和温度信号转换成信号处理电路板上的微处理器可接受的电压信号，阻抗调节模块采用负反馈调节电路，起到排除雨滴或其他干扰物影响的作用。

进一步，信号处理电路板(2－2)包括信号处理模块、结冰告警模块，信号处理模块由微处理器及外围电路组成，信号处理模块接收阻抗信号、温度信号，判断阻抗式结冰探测器是否处于结冰环境下，结冰告警模块包括固体继电器、光耦，通过固体继电器、光耦向上位机输出结冰告警信号。

所述结冰探测系统的探测方法，包括以下步骤：

步骤1：温度传感器(1－2)信号接收驱动电路板(2－1)提供的直流电压信号，温度传感器(1－2)向驱动电路板提供(2－1)大气温度信号，滤波电源电路板(2－3)向阻抗电极(1－1)提供交流电压信号，阻抗电极(1－1)向驱动电路板(2－1)提供阻抗信号；

步骤2：驱动电路板(2－1)上的阻抗测量模块对阻抗信号进行信号处理和A/D转换，温度测量模块对温度信号进行信号处理和A/D转换，将阻抗信号和温度信号转换成信号处理电路板(2－2)上的微处理器可接受的电压信号；

步骤3：信号处理电路板(2－2)初始化；

步骤4：信号处理模块检测阻抗式结冰探测器是否正常工作，如果是，执行步骤5，如果否，循环检测检测阻抗式结冰探测器是否正常工作；

步骤5：信号处理模块自检，同时检测驱动电路板(2－1)、滤波电源电路板(2－3)以及信号输出状态是否正常，如果是，执行步骤6，如果否，循环自检，同时循环检测驱动电路板(2－1)、滤波电源电路板(2－3)以及信号输出状态是否正常；

步骤6：信号处理模块判断阻抗信号是否达到结冰条件，如果是，向上位机发送结冰告警信号，并持续一段时间，如果否，信号处理模块循环判断阻抗信号是否达到结冰条件。

本发明的具有的优点和有益效果是：

阻抗式结冰探测器能粘合到飞行器机翼前沿，其内部阻抗电极和冰直接接触。能安装于机翼外表面的任何位置，提供宽区域结冰探测能力，在不同的攻角都能进行结冰探测，提高了结冰探测器对各种不同机型的适应性。

打破了老式结冰探测装置外露探头的结构设计，安装时无需嵌入到机翼内部，安装位置可变，使用高温粘接剂粘接到机翼表面，满足了部分飞机隐身性较高的要求。

结冰探测系统由阻抗式结冰探测器和结冰探测控制盒组成，其中外露阻抗式结冰探测器由阻抗电极、温度传感器组成，结构较为简单，满足新一代飞机对传感器体积和重量和要求。

可根据实际使用情况决定采用阻抗式结冰探测器的数量，使用分线电缆进行电气连接，采用余度设计，能够有效的提升可靠性和安全性。结冰探测系统还具有自检功能，能够有效地检测出故障。

附图说明

图1为阻抗式结冰探测器的结构示意图；

图2为结冰探测控制器的外形结构示意图；

图3为本发明系统原理框图；

图4为信号处理模块判断逻辑流程图。

具体实施方式

实施例一：

如图3所示，一种基于阻抗测量的结冰探测系统，包括若干个阻抗式结冰探测器、结冰探测控制器2、上位机，所述的结冰探测控制器2包括驱动电路板、信号处理电路板、滤波电源电路板，所述的阻抗式结冰探测器包括温度传感器和阻抗电极，所述的温度传感器与驱动电路板双向连接，驱动电路板给温度传感器提供电压信号，温度传感器给驱动电路板提供温度信号，阻抗电极与驱动电路板连接，给驱动电路板提供阻抗信号，滤波电源电路板分别与驱动电路板、阻抗电极连接，给驱动电路板、阻抗电极提供交流电压信号，驱动电路板与信号处理电路板连接，给信号处理电路板提供驱动信号，给信号处理电路板与上位机连接，给上位机提供告警/故障信号，上位机与滤波电源电路板连接，给滤波电源电路板提供交流电压，所述的滤波电源电路板与信号处理电路板连接，给信号处理电路板提供5V供电信号。

如图1，所述的阻抗式结冰探测器包括阻抗电极1－1、温度传感器1－2、支撑壳体1－3、插座1－4，所述的阻抗电极1－1数量为偶数个，阻抗电极设置在支撑壳体1－3表面，所述的温度传感器1－2设置在支撑壳体1－3的表面，所述的阻抗电极1－1与插座1－4连接。冰探测器结构简单，性能全面，不仅能进行结冰探测，还能进行温度测量。

进一步，所述的支撑壳体1－3为弧形结构，所述的弧形结构包括内凹面和外凸面，所述的内凹面与飞机机翼前缘形状相适配，所述的外凸面上设置有温度传感器1－2、阻抗电极1－1。所述的弧形结构设计可以让结冰探测器完美的贴合到机翼表面，有效结冰提升结冰探测系统的隐身性。

进一步，所述的温度传感器1－2、阻抗电极1－1通过高温粘接剂粘接到外凸面上。高温粘接剂的固定方式与传统机械安装方式相比，安装位置不固定，可根据实际情况选择最佳的安装方式。

进一步，所述的阻抗电极由惰性金属铂材料支撑，所述的支撑壳体1－3采用与飞机机翼相兼容的复合材料。金属铂其应有不易极化，阻抗小，寿命长的特点。

进一步，所述结冰探测控制器结构上还包括插座2－4、底座2.5、后盖2.6，滤波电源电路板、信号处理电路板、驱动电路板通过支柱依次叠放在后盖与底座内，插座安装在后盖侧部。

进一步，所述的阻抗式结冰探测器为2个，分别布置在飞机左右机翼前缘。余度设计，可有效避免干扰，并在一个阻抗结冰探测器故障情况下，系统仍能工作，提升系统的稳定性。

进一步，驱动电路板包括阻抗测量模块、阻抗调节模块、温度测量模块，温度信号和阻抗信号分别通过温度测量模块、阻抗测量模块进行信号处理和A/D转换，将阻抗信号和温度信号转换成信号处理电路板上的微处理器可接受的电压信号，阻抗调节模块采用负反馈调节电路，起到排除雨滴或其他干扰物影响的作用。

进一步，信号处理电路板包括信号处理模块、结冰告警模块，信号处理模块由微处理器及外围电路组成，接收阻抗信号、温度信号，判断阻抗式结冰探测器是否处于结冰环境下，结冰告警模块包括固体继电器、光耦，通过固体继电器、光耦向上位机输出结冰告警信号。

实施例二：

所述结冰探测系统的探测方法，包括以下步骤：

步骤1：温度传感器信号接收驱动电路板提供的直流电压信号，温度传感器向驱动电路板提供大气温度信号，滤波电源电路板向阻抗电极提供交流电压信号，阻抗电极向驱动电路板提供阻抗信号；

步骤2：驱动电路板上的阻抗测量模块对阻抗信号进行信号处理和A/D转换，温度测量模块对温度信号进行信号处理和A/D转换，将阻抗信号和温度信号转换成信号处理电路板上的微处理器可接受的电压信号；

步骤3：信号处理电路板初始化；

步骤4：信号处理模块(BIT)检测阻抗式结冰探测器是否正常工作，如果是，执行步骤5，如果否，循环检测检测阻抗式结冰探测器是否正常工作；

步骤5：信号处理模块自检，同时检测驱动电路板、滤波电源电路板以及信号输出状态是否正常，如果是，执行步骤6，如果否，循环自检，同时循环检测驱动电路板、滤波电源电路板以及信号输出状态是否正常；

步骤6：信号处理模块判断阻抗信号是否达到结冰条件，如果是，向上位机发送结冰告警信号，并持续一段时间，如果否，信号处理模块循环判断阻抗信号是否达到结冰条件。

实施例三：

一种基于阻抗测量的结冰探测系统，包括阻抗式结冰传感器、结冰探测控制盒，阻抗式结冰传感器包括贴片电极1－1、温度传感器1－.2、支撑壳体1－3、插座1－4，贴片电极1－1和温度传感器1－2通过高温粘接剂粘接到支撑壳体1－3上；结冰探测控制盒包括驱动电路板－2－1、信号处理电路板－2－2、滤波电源电路板2－3、插座2－4、底座2－5、后盖2－6，滤波电源电路板2－3、信号处理电路板2－2、驱动电路板2－1通过支柱依次叠放在后盖2－6与底座2－5内，插座2－4安装在后盖2－6侧部。通常一个系统内包含两个阻抗式结冰传感器和一个结冰探测控制盒组成，其通过电连接器和分线电缆进行电气连接。

阻抗式结冰传感器包括两个贴片电极1－1、一个温度传感器1－2(RTD)、连接器尾部附件和支撑材料组成。阻抗式结冰探测器接收电压信号，持续实时向结冰探测控制盒输出阻抗信号和温度信号。当有冰沉积到贴片电极1－1上时，阻抗会发生变化，从而起到结冰探测的作用。

贴片电极1－1是结冰探测器的核心部件，其应有不易极化，阻抗小，寿命长的特点，因此一般用惰性金属铂来作为电极制作的材料。铂是一种惰性贵金属，常用作某些电极的电子导体，本身不参与电极反应。

温度传感器1－2起到辅助判断结冰环境的作用，由于水的电导率比冰高，在交流电压的作用下，电极更容易导通，此时需要温度传感器1－2来探测温度信号，判断温度是否低于0℃，以给出正确的结冰环境信息供结冰信号分析和系统诊断用。

支撑材料选用与机翼相兼容的复合材料制造。

结冰探测控制盒主要由驱动电路板－2－1、信号处理电路板－2－2、滤波电源电路板2－3组成。其对阻抗式结冰探测器送至的阻抗信号和温度信号进行处理判断，实时监控阻抗信号的变化以判断是否处于结冰环境下。结冰探测控制盒还具有自检及滤波抗干扰的作用。能够实时监测系统是否故障或处于异常工作状态下。

滤波电源电路板2－3起到接收飞机115V电压的作用，通过变压器及电源处理电路，将115V电压转换为12V交流和5V直流二级电源。12V交流用于驱动阻抗电极，5V直流用于驱动信号处理电路和驱动电路板。同时还含有滤波电路，可以有效地减少电源欠压、电压尖锋和其他干扰信号的影响。

驱动电路板－2－1包含阻抗测量模块、阻抗调节模块、温度测量模块。阻抗测量模块和温度测量模块通过信号处理和A/D转换将阻抗信号和温度信号转换成单片机可接受的电压信号。阻抗调节模块采用负反馈调节电路，起到排除雨滴或其他干扰物的影响。

信号处理电路板－2－2包含信号处理模块、结冰告警模块。信号处理模块主要由单片机及外围电路组成，起到对阻抗信号、温度信号进行处理，判断是否处于结冰环境下。结冰告警模块通过固体继电器、光耦向外输出结冰告警信号。同时信号处理电路还包含自检功能，判断系统是否正常工作。

当有冰堆积在贴片电极1－1上时，贴片电极1－1的阻抗会相应变小，结冰探测控制盒根据温度传感器送来的信号和贴片电极的阻抗大小来判断阻抗式结冰探测器是否处于结冰状态下。阻抗测量是对加在系统电路或元件上的正弦电压U和流过他们的电流I之比的测量，阻抗测量属于电信基本参数测量的一种。

当冰附着在机体表面，其电特性会根据冰中间充斥的物质不同，而呈现不同，例如在空气或者是水。一个安装好的电极，由于加有交流电压，其电特性异常活跃。从电子学角度看，这被称作合成阻抗，随着冰厚的增加，他会使临近的电极发生改变。这种改变用于传递冰的存在。当冰覆盖在结冰探测器表面时，由于冰的存在，阻抗会发生变化，结冰探测控制盒会觉察到这种电阻抗的改变，当检测到相应的信号时，意味着冰的存在。

由于雨水有类似的电特性，小面积的雨滴可以通过结冰探测控制盒内部的负反馈调节电路来消除干扰，但当结冰探测器表面全部被雨水覆盖时，由于水的电导率比冰高，在交流电压的作用下，电极更容易导通，此时需要温度传感器来探测温度信号，判断温度是否低于0℃，以给出正确的结冰环境信息供结冰信号分析和系统诊断用。