一种基于柔性热敏式传感器的物体表面结冰检测方法

技术领域

本发明属于结冰检测与防除冰领域，具体涉及一种基于柔性热敏式传感器的物体表面结冰检测方法。

背景技术

飞机结冰会对飞机飞行的综合性能产生严重影响：机身表面结冰常导致翼面升力系数降低、分离提前、飞行阻力增加等不利影响，发动机进气道结冰将影响其内表面气动性能，导致气流紊乱甚至局部分离，甚至引起发动机叶片震动，若进气道的结冰脱离甚至会引起与发动机叶片的撞击，严重威胁发动机安全，形成飞行安全隐患。因此，飞机结冰检测进而展开防除冰研究对提高飞行安全具有重要意义。

对于风力发电，高原、高寒地区的风力机在结冰气象下易产生结冰，导致叶片的气动外形改变进而对叶片的阻力特性产生不利影响，使得风能转化效率下降，甚至损坏叶片，造成经济损失。因此，风力机叶片上的结冰检测对于风力发电的高效、节能运行具有实际的工程意义。

目前，国际上主要的结冰检测传感器主要包括：光学式、机械式、电学式、热学式等。光学检测方法通过检查光阻或光反射信号判断结冰；机械式方法以谐振检测为例，结冰会改变敏感元件的质量或刚度进而影响其谐振频率从而实现检测；电学检测方法以常见的有压电式和电容式，分别通过结冰对敏感元的作用力或介电常数改变产生电学信号变化，进而实现结冰检测。但是这些传统的结冰检测方法，检测传感器的整体体积较大，对于翼型、风机叶片前缘曲面等扁薄构型处应用：一方面是保形安装难度大，易对流场造成干扰形成局部湍动从而导致结冰传感器表面与测量物面的结冰情况不一致，影响结冰检测；另一方面是，考虑到工程应用的经济性，这些结冰检测手段价格昂贵，一般仅在大型飞机上有所装备，而在小型飞机、风机叶片等小型设施上尚未广泛使用。

本发明所提出的一种基于柔性热敏式传感器的结冰检测方法属于热学式测量。与传统热学式结冰检测中的温差类和热阻类检测手段不同的是，本发明所述的检测手段通过判断柔性热敏式传感器热敏单元的强制对流换热情况实现结冰检测，虽无法实现结冰量的定量测量，但却具备结构简单、低成本、高灵敏度、高时/空分辨率、便于复杂曲面的保形安装以及结冰过程中的三相介质变化的定性检测优势，满足飞行器、风机叶片防除冰工程中的结冰检测问题应用需求。

发明内容

本发明旨在提出一种结冰检测方法，具体是基于柔性热敏式传感器的结冰检测技术，可根据平齐安装于被测物面的柔性热敏式传感器输出信号的动态特征对被测物体表面的实际结冰情况进行判断。

本发明所述的结冰检测方法，其关键特征在于，主体测量单元是柔性热敏式传感器，所述柔性热敏式传感器包括：热敏单元1；引线单元2；PI柔性基底3。

本发明所述柔性热敏式传感器，其特征在于，采用微机电系统(MEMS)加工工艺技术制备，具备小尺寸、小流场干扰的高空间分辨率测量优势；当采用恒温模式驱动时，传感器频响可达数十千赫兹，具备高时间分辨率的测量优势。

本发明所述的柔性热敏式传感器，其特征在于，若通过热敏单元1表面的流体介质是纯气态或纯液态时，传感器的工作原理是强制对流换热，工作过程满足工作方程：

其中，E

本发明所述的柔性热敏式传感器，其特征在于，若所测量物面位置发生结冰现象，传感器热敏单元1无法与流场间进行强制对流换热，此时柔性热敏式传感器热敏单元1的工作方程应满足：

其中，λ

由于冷空气、过冷水、冰以及传感器PI柔性基底3之间的导热系数彼此之间存在巨大差异，冷空气与过冷水之间的粘度也存在显著差别，因此，流经热敏单元1的流体介质的气、液相转变以及结冰过程均会由于存在导热系数变化而导致热敏式传感器的输出信号产生一系列震荡、突变特征信号。

进一步的，由于冷空气、过冷水、冰以及传感器PI柔性基底3之间的导热系数具有λ

E

其中，λ

结合以上分析，本发明提出了一种基于热敏式传感器的物体表面结冰检测方法，具体步骤如下：

步骤一：将热敏式传感器平齐安装与被测物体表面；

步骤二：采用恒温驱动电路对热敏式传感器进行驱动，使得传感器热敏单元1工作温度T

步骤三：对热敏式传感器的输出电压进行采集，并进行分析，具体分析方法如下：当柔性热敏式传感器的输出信号的脉动强度

其中，本发明所述分尺度、归一化的小波变换系数分布W

其中，C

优选的，可使用Haar小波作为母函数对热敏式传感器的输出信号进行分析。在该小波母函数下，所定义的分尺度、归一化的小波变换系数分布W

优选的，为准确判断传感器输出信号的突变点位置，应结合多个尺度上的归一化小波变换系数分布W

有益效果：

本发明所述的一种物体表面结冰的检测方法结合了基于MEMS技术的柔性热敏式传感器高灵敏度、高时空分辨率输出的优势，适用于各种复杂曲面气动外形的结冰定性检测，同时结冰与否的判别方式十分简单，不仅可用于防冰预报，还特别适合于与防除冰系统中除冰单元相结合形成反馈控制模块，具有良好的工程运用前景。

附图说明

图1为柔性热敏式传感器结构示意图；

图2为柔性热敏式传感器的A-A截面剖视图；

图3为柔性热敏式传感器在某结冰测试时的输出电压信号及其分尺度、归一化的小波变换系数分布W

图4为时段a-b内柔性热敏式传感器的输出电压信号；

图5为时段a-b内柔性热敏式传感器的输出电压信号的分布直方图；

图6为时段b-c内柔性热敏式传感器的输出电压信号；

图7为时段b-c内柔性热敏式传感器的输出电压信号的分布直方图；

图8为时段d-e内柔性热敏式传感器的输出电压信号。

标记说明：

柔性热敏式传感器的热敏单元1

柔性热敏式传感器的引线单元2

柔性热敏式传感器的PI柔性基底3

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作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。

本发明申请的一个实施例，是通过平齐安装与被测试表面的柔性热敏式传感器进行结冰检测。所述柔性热敏式传感器主要包括：热敏单元1；引线单元2；PI柔性基底3。

该实施例具体实施步骤如下：

步骤一：将热敏式传感器平齐安装与被测物体表面；

步骤二：采用恒温驱动电路对热敏式传感器进行驱动，使得传感器热敏单元1工作温度T

步骤三：对热敏式传感器的输出电压进行采集；

步骤四：对采集得到的电压信号进行分析，本实施例信号脉动强度阈值设定为a＝0.2，具体分析方法如下：

所述柔性热敏式传感器所测得的如图3所示的输出电压信号，根据传感器的输出信号特征可以判断：在a-b时段内，传感器的输出电压(图4)的脉动强度

本发明所定义的分尺度、归一化的小波变换系数分布W

/>

其中，C

本实施例中的Haar小波母函数的分尺度、归一化的小波变换系数分布W

在本实施例中，为准确判断传感器输出信号的突变点位置，结合了多个尺度上的归一化小波变换系数分布W

以上表述仅是本发明的一个优选实施例，并没有限制本发明，凡在本发明的思路、原则之内所作出的任何修改、替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。