一种基于压电薄膜的超声导波探测系统

技术领域

本发明涉及结冰探测领域，尤其涉及一种基于压电薄膜的超声导波结冰探测系统。

背景技术

飞机在高空飞行时，很容易在机翼、尾翼、天线罩、进气道等部件表面积聚冰层，表面的积冰给飞机安全飞行带来了重大的危险。目前飞机上的结冰探测系统往往布置在机翼外表面，这会破坏机翼的气动外形，且并不能准确的确定积冰的厚度和结冰区域。

一架飞机的机翼翼展往往长达几米甚至是几十米，如波音747，翼展能达到28米。为了满足结冰探测的精度要求，布置的结冰探测传感器数目往往很多，过多的探测传感器，不仅增加了后续的数据处理的难度，也增大了飞机能耗。为了解决这个问题，本发明使用压电薄膜，通过布置很少的探测点，利用压电性能释放出超声导波对飞机机翼结冰情况进行探测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的问题，提供一种基于压电薄膜的超声导波的探测系统，此系统安装在机翼内部，具有操作简便、效果明显、精度高、能耗少等优点，可有效地进行飞机结冰厚度与结冰区域的探测。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于压电薄膜的超声导波结冰探测系统，包括信号发生器、功率放大器、压电薄膜、机翼模型、数据采集卡、计算机。所述的压电薄膜粘贴在机翼模型内表面，信号发生器释放出信号，通过功率放大器给压电薄膜发射端，使压电薄膜发射端发出导波，压电薄膜接收端接收回波信号通过数据采集卡将所有的回波信号输入到计算机。

进一步的，所述激励信号发生单元包括信号发生器与功率放大器，激发不同波形、不同频率的激励信号，并对信号峰值进行放大。

进一步的，所述导波发射单元与回波信号接收单元为压电薄膜材料，所述导波发射单元与回波信号接收单元安装于机翼蒙皮内表面。

更进一步的，所述信号处理单元包括数据采集卡和数据处理设备，所述信号处理单元根据概率重构算法和成像算法将机翼表面结冰情况绘制成图，从而确定结冰区域，从图中直接地观察到机翼上结冰发生的位置和结冰发生的程度。

作为本申请的一种优选实施方式，所述导波发射单元与回波信号接收单元在翼展方向上一一对应，所述探测系统包含多组导波发射单元和回波信号接收单元，分别位于机翼翼展的两端，并且在弦长方向上，导波发射单元与回波信号接收单元的布置密度由翼型前缘驻点到翼型最高点逐渐减小。

作为本发明一种基于压电薄膜的超声导波的探测系统的进一步的优化方案，选择放出超声导波的是压电薄膜，根据声波的透射反射公式，选择与机翼蒙皮的材料声阻抗相近的压电薄膜，才能够将更多的能量传递到机翼蒙皮内部，使得回波信号更明显。通过对压电薄膜的矩形布置，根据重构算法和成像算法，不仅可以准确的判断结冰的厚度，还可以得到结冰的区域。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明释放超声导波的压电薄膜是位于机翼内部，与机翼表面的冰是非接触的，不会对飞机的气动外形造成影响；本发明中压电薄膜具有良好的柔韧性，能与机翼内表面紧密贴合。安装时，压电薄膜发射端与压电薄膜接收端在翼展方向上一一对应，分别位于机翼翼展的两端。由于翼型前缘为最常见的结冰区域且曲率较大，所以弦长方向上，压电薄膜的布置密度由翼型前缘驻点到翼型最高点逐渐减小。

2.本发明使用的压电薄膜，在电流激励下，能够发出超声导波。由于沿翼展方向上压电薄膜发射端与接收端是一一对应的，并且超声导波技术可以从管道上的一个单一检测位置普测整个机翼，可覆盖的长度达几十米，所以通过沿弦长方向布置多个压电薄膜，就可以完成对整个机翼的结冰探测。

3.本发明的压电薄膜采用的是矩形布置，且只需布置在机翼两端蒙皮内表面的顶部和底部，不需要在整个机翼内表面布满传感器。与常规的布置在机翼的表面各处的结冰探测系统相比，本发明的压电薄膜结冰探测系统不仅减少了布置传感器的数量，还尽可能避免了经过弯曲前缘，使得结果更加准确。

4.本发明将得到的回波数据，通过labview将结冰后得到的概率分布图呈现出来，从而确定结冰区域。

5.本发明的使用的超声导波激发装置是压电薄膜，与飞机蒙皮的阻抗匹配较好，能耗较低。

6.本发明具有操作简便，结构简单，安装便捷，能耗低，维护方便且效果明显等优势，能有效提高结冰探测的质量。

附图说明

图1是结冰探测系统整体流程图；

图2是机翼布局示意图；

图3是机翼布局实物图；

图4是不同冰厚与声波最大幅值关系图；

图5是矩形布局结冰重构图；

图中，1-机翼结构，2-压电薄膜发射端，3-信号发生器，4-功率放大器，5-压电薄膜接收端，6-数据采集卡，7-计算机。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种基于压电薄膜的超声导波的探测系统，所述探测系统包括激励信号发生单元、导波发射单元、回波信号接收单元、信号处理单元；其中，所述激励信号发生单元用于发出不同波型的激励信号，所述导波发射单元接收来自不同频率的信号发生单元的激励信号，导波发射单元与回波信号接收单元一一对应，通过所述信号处理单元，探测机翼外表面结冰的厚度与结冰区域。

进一步的，所述激励信号发生单元包括信号发生器与功率放大器，激发不同波形、不同频率的激励信号，并对信号峰值进行放大。

进一步的，所述导波发射单元与回波信号接收单元为压电薄膜材料，所述导波发射单元与回波信号接收单元安装于机翼蒙皮内表面。

更进一步的，所述信号处理单元包括数据采集卡和数据处理设备，所述信号处理单元根据概率重构算法和成像算法将机翼表面结冰情况绘制成图，从而确定结冰区域，从图中直接地观察到机翼上结冰发生的位置和结冰发生的程度。

作为本申请的一种优选实施方式，所述导波发射单元与回波信号接收单元在翼展方向上一一对应，所述探测系统包含多组导波发射单元和回波信号接收单元，分别位于机翼翼展的两端，并且在弦长方向上，导波发射单元与回波信号接收单元的布置密度由翼型前缘驻点到翼型最高点逐渐减小。

作为本发明一种基于压电薄膜的超声导波的探测系统的进一步的优化方案，选择放出超声导波的是压电薄膜。不同材料有不同的声阻抗，而声阻抗能够反映不同介质中某位置对因声扰动而引起的质点振动的阻尼特性，在数值上等于介质的密度乘以声速。根据声波的透射反射公式：

为使本发明的实质性特点及其所具有的实用性更易于理解，以下结合附图即若干具有实施例对本发明的技术方案进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。

实施流程图如图1所示，选择相同的航空铝制材料做成的机翼，将机翼放在-15℃低温环境中，将水滴放置在表面冻结。为了更好的和机翼表面贴合且不会破坏机翼的气动性能，选择压电薄膜直接贴在机翼内表面。选择泰克AFG3022C型任意波型信号发生装置作为超声信号发生装置，将信号发生器产生的电信号通过AG1020型功率放大器放大给压电薄膜，使得压电薄膜释放出超声导波。为了同时实现多个传感器的收发功能，使用2527多路开关切换不同的传感器线路，从而依次激发所有的导波发射传感器，实现对整个机翼表面的探测。使用ART-PX18502S将收到的导波信号存储到计算机中。数据和图形的处理流程在Labview平台上实现。

具体飞机机翼布置方式如下图2所示，由于机翼主要的结冰区域是机翼前缘，根据重构算法所规定的假设条件，连线经过的结冰区域对导波信号的影响最大，因此在机翼前缘的位置布置较多的探头。图3是实际的机翼布局图。

不同厚度的冰层会得到的不同的超声导波信号，根据数据库中的基准数据，按照一定的比例算法，将导波信号的幅值和基准信号的幅值对比，从而找到对应的冰层厚度。当区域发生结冰后，区域中的监测传感器对之间的导波信号都会发生不同程度的改变，得到图4的波形图。根据概率重构算法可以得到该区域中的每个点的结冰概率值，最后得到一个结冰的概率分布图。再借鉴计算机图像处理技术，通过labview将结冰后得到的概率分布图呈现出来，如图5所示，可直观地观察到机翼上结冰发生的位置和结冰发生的程度。

上述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。