一种基于阻抗测量原理的结冰探测器
阅读说明：本技术 一种基于阻抗测量原理的结冰探测器 (Icing detector based on impedance measurement principle ) 是由 杜富强 徐弘炜 邓青山 徐业博 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于阻抗测量原理的结冰探测器,阻抗式结冰探测器由阻抗电极和温度传感器组成,用来探测冰层厚度,并将冰层厚度信息及温度信息转化为电信号提供给上位机,上位机解算其送来的温度信号和结冰信号,判断是否处于结冰环境下,阻抗式结冰探测器能粘合到飞行器机翼前沿,其表面阻抗电极和冰直接接触,能安装于机翼外表面的任何位置,提高了结冰探测器对各种不同机型的适应性,针对目前迅速发展的无人机和直升机,阻抗式结冰探测器不仅具有体积小,重量轻的优势,更具备了普通结冰传感器没有的隐身性。(The invention relates to an icing detector based on an impedance measurement principle, which consists of an impedance electrode and a temperature sensor and is used for detecting the thickness of an ice layer and converting the thickness information and the temperature information of the ice layer into electric signals to be provided to an upper computer, the upper computer calculates the temperature signal and the icing signal sent by the upper computer and judges whether the upper computer is in an icing environment, the impedance icing detector can be adhered to the front edge of an aircraft wing, the surface impedance electrode of the impedance icing detector is directly contacted with ice and can be arranged at any position on the outer surface of the wing, the adaptability of the icing detector to different types of aircrafts is improved, and aiming at the existing rapidly-developed unmanned aerial vehicles and helicopters, the impedance icing detector not only has the advantages of small volume and light weight, but also has the invisibility of a common icing sensor.)
技术领域
本发明属于防除冰技术领域，涉及基于阻抗测量原理的结冰探测器。
背景技术
结冰探测器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，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器隐身性的高要求，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传感器。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于阻抗测量原理的结冰探测器，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(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。
进一步，所述的阻抗电极(1-1)数量为2个，两个阻抗电极(1-1)通过电缆、插座(1-4)与上位机连接，形成闭合回路，阻抗电极(1-1)向上位机提供阻抗信号，上位机向阻抗电极(1-1)提供激励信号。
进一步，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，所述的温度传感器(1-2)也与上位机连接，上位机给温度传感器 (1-2)提供电压信号，温度传感器(1-2)持续实时向结冰探测控制盒输出温度信号。
进一步，所述的阻抗电极(1-1)由惰性金属铂材料支撑。
进一步，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，所述的激励信号为交流电压。
进一步，所述的电缆长度不超过5m，可以减少阻抗信号的衰减。
本发明的具有的优点和有益效果是：
阻抗式结冰传感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，提高了结冰传感器对各种不同机型的适应性。
阻抗式结冰传感器由阻抗电极、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。
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。
附图说明
图1为阻抗式结冰传感器等效电路模型；
图2为阻抗式结冰传感器的结构示意图；
图3为阻抗式结冰传感器原理框图。
具体实施方式
如图2、3所示，一种基于阻抗测量的结冰探测器，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。结冰探测器结构简单，性能全面，不仅能进行结冰探测，还能进行温度测量。
阻抗式结冰传感器包括两个阻抗电极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。阻抗式结冰传感器1-2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。当有冰沉积到阻抗电极1-1上时，阻抗会发生变化，从而起到结冰探测的作用。
阻抗电极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。
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，有效结冰提升探测器的隐身性。
进一步，所述的阻抗电极1-1数量为2个，两个阻抗电极1-1通过电缆、插座1-4与上位机连接，形成闭合回路，阻抗电极1-1向上位机提供阻抗信号，上位机向阻抗电极1-1提供激励信号。偶数个的阻抗电极1-1不仅能形成闭合回路，更避免了单一阻抗电极异受干扰的情况，极大的提升产品的抗干扰能力。
进一步，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，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，所述的温度传感器1-2也与上位机连接，上位机给温度传感器提供电压信号，温度传感器1-2持续实时向结冰探测控制盒输出温度信号。温度传感器1-1可减少雨的干扰，而且可进行大气温度测量。
进一步，所述的阻抗电极1-1由惰性金属铂材料支撑。金属铂其应有不易极化，阻抗小，寿命长的特点。
进一步，所述的支撑壳体1-3采用与飞机机翼相兼容的复合材料。可有效避免异种金属接触时易发生腐蚀的情况。
进一步，所述的激励信号为交流电压，交流电可有效避免阻抗电极上出现极化效应，保证测量精度不会受到干扰。
进一步，所述的电缆长度不超过5m，可以减少阻抗信号的衰减。
当有冰堆积在阻抗电极1-1上时，阻抗电极1-1的阻抗会相应变小，上位机给温度传感器1-2送来的信号和阻抗电极1-1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。当冰覆盖在结冰传感器表面时，由于冰的存在，阻抗会发生变化，上位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上位机内部的负反馈调节电路来消除干扰，但当结冰传感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。
用电极进行阻抗测量时，会发生较为复杂的电化学反应，向电极施加直流电时，会在电极上发生氧化还原反应，产生电解产物，出现极化效应，电极产生的极化效应严重影响测量精度，所以一般使用交流电进行阻抗测量，施加交流电时，电极上会形成双电层电容CDL，电极引线会产生电极引线电容CP。假设冰在电极间的电阻值为R，则电极上的冰层形成了RLC负载，电极和冰层形成的结冰探测系统的等效电路模型如图1所示。
假设施加在电极上的交流电的角频率为W，则此等效电路模型的阻抗为：
由于冰层电导率较低，传感器表面流过的电流非常小，大大减小了极间电容和导线阻抗等的影响。交流电压的大小是已知的，由测量所得的交流电流即可得出冰层的阻抗Z＝U/I。
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