一、概述

飛機(jī)機(jī)體結(jié)冰會對飛機(jī)的氣動外形造成很大的影響，嚴(yán)重影響飛行安全，特別是機(jī)翼結(jié)冰，會直接導(dǎo)致升力不足，使得飛機(jī)無法起飛，爬升，甚至無法保持飛行。飛機(jī)的飛行主要依靠機(jī)翼的翼形產(chǎn)生壓差作為升力，當(dāng)機(jī)翼結(jié)冰后機(jī)翼的氣動外形收到影響發(fā)生改變，而且表面光潔度收到很大影響的破壞，會造成氣流無法按照預(yù)期的正常情況流動，無法獲得升力，飛機(jī)便會失去繼續(xù)飛行的能力，這樣一來，會因?yàn)樯Σ蛔銦o法起飛爬升，飛行中的飛機(jī)出現(xiàn)這種情況會出現(xiàn)升力嚴(yán)重不足而開始下墜，急劇掉高度，甚至墜毀。所以飛機(jī)的除冰工作是非常重要的，不可以忽視的重要環(huán)節(jié)。

本公司結(jié)合國內(nèi)風(fēng)力的實(shí)際研究并開發(fā)了飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰檢測系統(tǒng)。首先介紹結(jié)冰的快速計(jì)算理論，光纖式結(jié)冰傳感器理論和微弱信號檢測理論，然后以此為基礎(chǔ)分別從探測器（包括光纖傳感器），信號處理電路，上位機(jī)監(jiān)控軟件和通信協(xié)議四大方面對系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。探測器和信號處理電路實(shí)現(xiàn)了從傳感器端的微弱結(jié)冰狀態(tài)變化到采集端的顯著電壓信號變化；上位機(jī)監(jiān)控軟件主要完成了串口通信模塊設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)圖形顯示模塊設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計(jì)，對硬件系統(tǒng)傳送過來的結(jié)冰電壓信號進(jìn)行處理，并提供良好的人機(jī)界面，顯示當(dāng)前結(jié)冰告警狀態(tài)，并把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到文件夾中。完成了本系統(tǒng)的結(jié)冰的信號處理和雨水干擾的分析。

現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果表明：本系統(tǒng)用于機(jī)翼結(jié)冰檢測是可行的，可完成結(jié)冰告警功能，同時(shí)利用微波打落冰層.其結(jié)果是非常完美的。目前在飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰狀態(tài)檢測領(lǐng)域的研究和應(yīng)用還處于初期階段。應(yīng)用已有的結(jié)冰狀態(tài)分析方法和新型的光纖式結(jié)冰傳感器等，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰狀態(tài)檢測，及時(shí)準(zhǔn)確獲取機(jī)翼的結(jié)冰狀態(tài)，從而進(jìn)行結(jié)冰預(yù)警，結(jié)冰檢測，消除結(jié)冰對飛機(jī)的危害，這對飛機(jī)預(yù)防潛在自然危害具有很重要的意義。

目前在國內(nèi)，結(jié)冰傳感器的研究和應(yīng)用還處于初期階段，特別是在飛機(jī)機(jī)翼這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。國內(nèi)已設(shè)計(jì)出的結(jié)冰狀態(tài)檢測裝置主要應(yīng)用磁致伸縮原理，只能通過傳感器的結(jié)冰程度來判斷葉片結(jié)冰情況，檢測效果受電磁干擾影響較大。

與國內(nèi)相比，國外的對飛機(jī)結(jié)冰檢測起步早、重視度高，對飛機(jī)結(jié)冰模型的研究較為透徹，其機(jī)翼結(jié)冰檢測技術(shù)也領(lǐng)先國內(nèi)水平。其中，發(fā)展相對成熟的結(jié)冰檢測主要方法有：電學(xué)法、機(jī)械法、光學(xué)法、波導(dǎo)法等。

二、工作原理

該類結(jié)冰探測技術(shù)是利用結(jié)冰的電學(xué)性質(zhì)而開發(fā)的結(jié)冰傳感器，運(yùn)用最為普遍的電容式，它利用冰、水、空氣的介電常數(shù)的不同來判斷電極之間是冰、水、還是空氣，并且還可以根據(jù)測得的電容值大小推算結(jié)冰厚度。典型的電容式結(jié)冰傳感器有美國Innovative Dynamics公司開發(fā)的電容式傳感器，該傳感器能夠檢測的結(jié)冰厚度范圍0.5mm~1.5mm、1.5-50mm。

（一）光學(xué)法

該類結(jié)冰探測技術(shù)是利用結(jié)冰對光的反射、吸收、散射等作用而開發(fā)的結(jié)冰傳感器，光纖式結(jié)冰傳感器是最為典型的光學(xué)傳感器。光纖式傳感器通過發(fā)射光纖將一定波光的光打入冰層，光經(jīng)冰層的反射和散射后，會有一部分光返回到接收光纖，通過檢測接收光纖所接收的光強(qiáng)就可以推算出結(jié)冰厚度。早在2003年，希臘科學(xué)家成功開發(fā)了種光纖式結(jié)冰傳感器，后來英國也開發(fā)出一種具有優(yōu)越性能的光纖式結(jié)冰傳感器，它能檢測到小到0.1mm的結(jié)冰。

（二）波導(dǎo)法

該類結(jié)冰探測技術(shù)是利用結(jié)冰對聲波或者其它波的吸收和反射作用開發(fā)的結(jié)冰傳感器，有聲表面波式、超聲脈沖回波式、微波諧振式。微波式結(jié)冰傳感器已成功運(yùn)用于空中加油飛機(jī)Cessna Cruader303，該傳感器可以檢測厚達(dá)25mm。

隨著航空領(lǐng)域全球快速發(fā)展，飛機(jī)安全飛行問題已受到更為廣泛的關(guān)注。但作為保障飛機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰檢測技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展仍然相對落后。因此，能否從基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法研究入手，提出既有豐富深入的理論和方法研究內(nèi)容，又有實(shí)際工程應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)的研究開發(fā)是解決我國飛機(jī)飛行安全保障的迫切需求。

在結(jié)冰檢測理論的基礎(chǔ)上，利用以光纖式結(jié)冰傳感器為主的多傳感器系統(tǒng)，探測結(jié)冰光強(qiáng)信號，并經(jīng)過電子系統(tǒng)進(jìn)行信號調(diào)理，而數(shù)據(jù)采集模塊則完成下位機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，最終把結(jié)冰告警信息實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)界面上，并通過繼電器輸出模塊控制結(jié)冰告警輸出。最后通過實(shí)驗(yàn)室結(jié)冰及雨水干擾試驗(yàn)得到了結(jié)冰告警判決和雨水干擾判決的設(shè)定依據(jù)。

研究飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰檢測的關(guān)鍵理論。其中包括結(jié)冰的快速計(jì)算理論，光纖式結(jié)冰傳感器理論和微弱信號檢測理論。

飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰檢測系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)冰狀態(tài)分析方法和光纖式結(jié)冰傳感器，實(shí)現(xiàn)對機(jī)翼結(jié)冰狀態(tài)檢測，及時(shí)準(zhǔn)確獲取飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰狀態(tài)，從而進(jìn)行結(jié)冰預(yù)警，結(jié)冰檢測。該系統(tǒng)主要涉及以下三方面的理論：即結(jié)冰的快速計(jì)算理論，光纖式結(jié)冰傳感器理論和微弱信號檢測理論。

1.結(jié)冰的快速計(jì)算理論

為了建立探測器結(jié)冰與機(jī)翼結(jié)冰之間的聯(lián)系，需要對探測器結(jié)冰和機(jī)翼結(jié)冰情況進(jìn)行快速計(jì)算，我們采用如下公式計(jì)算結(jié)冰厚度：

2.壁面邊界條件

對于水滴相計(jì)算，不同于空氣流場，在計(jì)算面壁時(shí)應(yīng)采用壁面吸入邊界條件，即如果水滴與物面碰撞，則認(rèn)為水滴從碰撞點(diǎn)流出。

3.水滴收集率的計(jì)算

系統(tǒng)由探測器（包括光纖傳感器）、光電收發(fā)模塊、信號處理與通信模塊和上位機(jī)這四大部分組成。除去上位機(jī)之外的其余三部分構(gòu)成了系統(tǒng)的硬件。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖

3-1所示。

三、信號處理電路設(shè)計(jì)

飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰檢測系統(tǒng)，綜合應(yīng)用多支不同類型的光纖式結(jié)冰傳感器對機(jī)翼的結(jié)冰狀況進(jìn)行檢測，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前結(jié)冰狀況并發(fā)出告警信號。其硬件部分完成對傳感器前端數(shù)據(jù)的采集，調(diào)理，并將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。由于機(jī)翼結(jié)冰探測系統(tǒng)是用來保障飛機(jī)的安全飛行，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的首要問題就是穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，即系統(tǒng)要能穩(wěn)定運(yùn)行，不能出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法運(yùn)行，同時(shí)要有較高的精度，能夠在探測點(diǎn)結(jié)冰厚度達(dá)到2mm時(shí)開始告警；鑒于飛機(jī)飛行環(huán)境復(fù)雜，系統(tǒng)要有很強(qiáng)的抗干擾性。

電子系統(tǒng)主要包括5個(gè)結(jié)冰信號探測電路、1個(gè)電源轉(zhuǎn)換電路。溫度探測、數(shù)據(jù)采集和485總線傳輸由數(shù)據(jù)模塊完成。結(jié)冰信號探測電路又包括光源發(fā)射電路、差分放大器、同步積分器、相關(guān)器及低通濾波器。光源發(fā)射電路中方波發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號一方面作為開關(guān)電路的開關(guān)信號，經(jīng)三極管放大后驅(qū)動紅外發(fā)光二極管，另一方面，作為同步積分器和相關(guān)器的參考信號；差分放大器通過兩路接收探測器信號的相減作為輸入信號，能夠很好的減小背景光的影響；同步積分器在信號通道中可作為頻率自動跟蹤濾波器，濾除差分放大器輸出信號中的部分噪聲；相關(guān)器再利用互相關(guān)原理，使輸入待測的周期信號和頻率相同的參考信號在相關(guān)器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān)運(yùn)算，從而將深埋在噪聲中的周期信號攜帶的信息檢測出來。溫度探測器在結(jié)冰測量中起到輔助的作用，一方面，在一定條件下，結(jié)冰的冰型和溫度有很大的關(guān)系，另一方面，檢測電路只有在溫度滿足條件的情況下才工作并上傳數(shù)據(jù)，其他時(shí)間處于不工作的狀態(tài)。

機(jī)翼·結(jié)冰檢測系統(tǒng)的研制與開發(fā)，包括探測器（包括傳感器）設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。在各個(gè)部分的設(shè)計(jì)中綜合考慮了系統(tǒng)的性、可靠性和實(shí)時(shí)性。

四、各項(xiàng)參數(shù)

檢測參數(shù)：結(jié)冰、結(jié)冰厚度、積水、溫度

量程：覆冰：0-0.3 ,0.3-50mm. 50-100mm

分辨率：0.2mm

檢測精度：0.5mm

電源電壓：3.3V ,5 V,12V, 24VD

功率：＜0.4W

靈敏度：0.4℃

通信方式：4-20mA.RS485 MODBUS

溫度輸出：-40℃~85℃

溫度補(bǔ)償范圍：-40℃~85℃

探頭材質(zhì)：SUS304 /Teflon.四氟

環(huán)境溫度：-40℃~85℃

外形尺寸：Φ25*20mm Φ32*20mm Φ40*20mm（可根據(jù)需求定制外形尺寸）

防護(hù)等級：IP67