[發明專利]基于光纖結冰傳感器探測冰厚的方法、傳感器、介質

有效

• 申請號: 202310375099.2
• 申請日: 2023-04-10
• 公開（公告）號: CN116105614B
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: 肖春華;張弛;李紹榮
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心低速空氣動力研究所
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06
• 代理公司: 四川中代知識產權代理有限公司 51358
• 代理人: 胡偉

本發明屬于飛機結冰探測技術領域，具體涉及基于光纖結冰傳感器探測冰厚的方法、傳感器、介質。本申請首先獲取當前環境溫度T，獲取光纖結冰傳感器光纖結冰傳感器第一接收光纖接收光強、第二接收光纖接收光強和判別光纖接收光強；接著將判別光纖接收光強和當前環境溫度T輸入至冰型預測模型庫中，獲取冰型，冰型包括明冰、混合冰和霜冰；然后，將冰型和溫度值T輸入到冰型?溫度?擬合函數庫中，獲取當前冰型和溫度對應的擬合函數；最后將第一接收光纖接收光強和第二接收光纖接收光強帶入?擬合函數中，計算得到冰層厚度h。本方案引入環境溫度作為判斷冰型、選擇擬合函數的重要依據，具有冰型判斷準確，計算冰厚誤差小的優點。

技術領域

本發明屬于飛機結冰探測技術領域，具體涉及基于光纖結冰傳感器探測冰厚的方法、傳感器、介質。

背景技術

飛行器和風力機結冰是一種常見的自然現象。結冰會影響飛行安全，飛機結冰導致升力下降、阻力增加、氣動性能惡化，脫落冰撞擊到發動機葉片會導致發動機停車。風力機結冰會降低運行效率，風力機通常安裝在風力資源富有的寒冷地區和山區，這些風力機在寒冷氣候下會出現不同程度的結冰現象。結冰會改變風力機葉片的空氣動力學特性，導致發電效率降低50%。結冰也會導致風力發電設備的機械故障。因此，對飛機和風力機等重大裝備進行結冰探測非常重要和必要。

目前結冰探測仍是一大科學難題。首先，結冰影響因素太多導致傳感器測量精度和范圍難以提高，影響因素包括結冰環境溫度(T)、氣流速度環境氣壓、液態水含量（LWC）和液滴平均體積直徑（MVD）等參數，多種因素的共同作用，使得冰型非常復雜。通常有明冰、霜冰和混合冰三種類型。不同類型的冰物理特性差異極大，例如密度、介電常數、光學特性和附著性等，嚴重影響了結冰傳感器的測量精度。

比如，冰介電常數的差異導致壓電結冰傳感器在相同冰厚時輸出信號不同，冰密度的差異使得結冰傳感器振動時檢測到的諧振頻率相差很大，這些都是影響結冰傳感器測量精度的原因。其次外伸式結冰傳感器安裝在飛機表面或風力機表面的凸起結構，會導致飛機或風力機的流場受到影響，會影響飛機或風力機的空氣動力特性。因此，結冰傳感器通常安裝在飛機機頭和風力機的輪轂，這些部位并不是真實的結冰部位，必須安裝在真正容易結冰的部位，才能真實反映部件的結冰情況。

作為科技前沿的光纖結冰傳感器，具有尺寸小等優勢，不僅可以被安裝在風力機葉片或者機翼的尖端，還可以通過對冰型的識別獲得準確的結冰信息，給結冰探測問題的解決帶來了希望。

2007年Aris?A?Ikiades等人提出了利用冰對光的散射和反射來實時測量冰的厚度及其類型的方法，Aris?A?Ikiades等人在2022年開發了陣列式光纖結冰傳感器，測量精度為0.5mm，但這種陣列式光纖結冰傳感器尺寸過大不能平齊的安裝在較小曲率翼面上。

2011年華中科技大學通過使用端面與軸線呈傾斜角度的發射光纖束來檢測冰的類型和厚度，申請了實用新型專利CN202075225U和發明專利CN?112697055?B并發表了論文Ge?J?,?Lin?Y?,?Zou?J?.?A?novel?fiber-optic?ice?sensor?capable?of?identifyingice?type?accurately[J].Sensors??Actuators?A?Physical,?2012,?175(none):35-42.。該傳感器因為其探頭尺寸小的特點，使得其可以被平齊的安裝在風力機曲率變化的葉片表面，但是該傳感器分辨冰型原理是利用冰層與探頭之間的空氣間隙，霜冰與大尺寸探頭之間大多情況下都會有空氣間隙。當結冰為霜冰時，出射光會在霜冰界面發生全反射，而明冰與探頭之間一般不存在空氣間隙，故不會發生全反射。然而，探頭向小型化方向發展的趨勢逐漸加劇，小型化的探頭不能保證霜冰與探頭之間一定會有空氣間隙。當霜冰與探頭之間無空氣間隙時，該傳感器的冰型識別能力會失效。

2022年電子科技大學在傳統兩條接收光纖的基礎上增加能判別冰型的判別光纖，并申請了發明專利CN114839163A，該發明很好的解決了光纖結冰傳感器無法準確識別冰型的技術問題。