本发明属于光电传感器，尤其涉及一种光纤式冰结合状态传感器，能定性判断物体表面结冰冰层的结合状态，应用于结冰探测及防除冰领域。
背景技术：
目前机翼除冰采用的电热-激振复合式除冰方法，在结冰产生后，先通过加热减小机翼结冰区域结冰冰层与机翼金属蒙皮之间的结合强度，再通过激振将粘附在机翼表面的结冰冰层破坏，使之脱落。在这一过程中，何时开始振动以及需要多大的激振力都需要有效的信息作为支撑。尤其是加热后振动时机的判断，需要探测出机翼表面结冰冰层与机翼蒙皮的结合状态，从而实现高效低能耗的除冰。
但是，现有用于飞行器结冰探测的传感器，包括一束发射光纤束、发光光源、多束接收光纤束和光电接收器件，采用单一发光光源，仅能够判断是否结冰以及测量冰厚，缺乏对物体和冰层之间的结合状态的测量功能，为单纯的结冰传感器，不适应先进的机翼复合式除冰方法。
通常，一束发射光纤束或一束接收光纤束分别均由多根光纤组成，多根光纤之间采用粘接胶粘合。当单根光纤的直径为40μm时，横截面面积约为0.0013mm2，如果每一束发射光纤束或接收光纤束端面的横截面尺寸为2.5mm×3mm，每一束发射光纤或接收光纤约需要由6000根光纤粘接而成。
技术实现要素：
本发明提供一种光纤式冰结合状态传感器，解决现有结冰传感器不能用以判断冰层与物体表面结合状态的问题，以便为电热-激振复合式除冰方法选择最佳的激振时机。
本发明所提供的一种光纤式冰结合状态传感器，包括发射光纤束和接收光纤束，发射光纤束和接收光纤束一端在金属外壳内集束成集中光纤束，其端面构成探测端，其特征在于：
所述发射光纤束为M束，所述接收光纤束为N束，M＝2或3，N＝2M或3M，各发射光纤束和接收光纤束的横截面面积相同；
在金属外壳内M束发射光纤束和N束接收光纤束之间采用粘接胶粘合；M束发射光纤束的另一端分别装有1个光源器件，M个光源器件的光谱不同；N束接收光纤束的另一端分别装有1个光电接收器件。
所述的光纤式冰结合状态传感器，其特征在于：
所述M束发射光纤束及N束接收光纤束在集中光纤束的端面分布形式为矩形行列分布或者同轴式分布；
矩形行列分布时，M束发射光纤束分别位于M行(N+1)列矩阵的M行，且两两之间距离最大，M行(N+1)列矩阵中每束发射光纤束所在行的其余矩阵单元位置放置N束接收光纤束；
同轴式分布时，M束发射光纤束各自呈1/M圆形式在中心圆均匀分布，N束接收光纤束各自呈扇形在环绕中心圆的外层圆环内沿径向逐层分布。
所述探测端表面与光纤束光轴成30°～90°的角度。
采用本发明进行冰层与物体表面结合状态的探测时，M个不同光谱的光源器件产生的发射光分别通过M束发射光纤束的传输到达探测端面，当探测端面无积冰时，发射光直接射入空气，接收光纤束接收不到任何发射光。当探测端面有积冰时，光在冰层内发生反射、散射、吸收、透射等一系列光学作用，其中冰层-空气界面的反射光以及冰层内的散射光经过探测端面进入接收光纤束。当探测端面的冰层与端面的结合状态不同时，反射和散射发挥的作用大小不同，因此光电接收器件接收到的反射光的光强不同，并且不同波长的发光光源经过一系列作用后产生的光谱也不同。接收光纤束末端装有光电接收器件并与信号处理电路相连，通过检测N组接收光信号的强度及光谱信息，得到机翼蒙皮表面和冰层间结合状态的信息。
在除冰过程中，对结合状态的探测主要集中在加热后的融冰阶段。
开始加热时，由于热传递，机翼蒙皮的温度逐渐上升，而结冰期间机翼蒙皮的温度与环境温度保持一致，基本保持在一定的低温条件下，故在刚开始加热时，结冰冰层与机翼表面之间的结合状态保持不变。接收光纤束所接收的光信号维持在初始结冰信号大小，光谱基本不变。
随着加热的持续进行，机翼蒙皮的温度持续上升，冰层与机翼蒙皮接触面的冰层开始融化，局部形成水膜。水膜的形成，使进入接收光纤束的光强减小，光电接收器件探测到的光信号逐步减小，接收到的光谱也会发生改变。继续加热，冰层与机翼蒙皮接触面形成的水膜由局部形成逐渐连成一体，形成一层完整的薄水膜。在这个状态下由水膜造成的光的反射致使接收光纤束接收到的光信号达到极小值，同时N组光电接收器接收到的光谱差异最大。
融冰过程中，光纤式冰结合状态传感器探测的光强、光谱信息可以反映机翼蒙皮上的结冰冰层的相态变化，而冰水相态转变与冰结合状态密切相关。在除冰方法中，可依据光纤式冰结合状态传感器提供的信息选择最佳的除冰时机。
本发明尺寸小、重量轻、可多点分布、无可移动附件、可靠性高、信号处理简单；能够用以分析物体表面的冰层在温度改变之后的相态变化对不同光谱信号产生的影响，进而综合多组接收信号的变化判断温度变化过程中冰层与物体表面的结合状态，为加热-激振复合式除冰方法提供可靠的最优振动除冰时机的判断，适用于对物体结冰表面与冰层的结合状态进行检测。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为实施例1的探测端横截面示意图；
图3为实施例2的探测端横截面示意图；
图4为实施例3的探测端横截面示意图；
图5为实施例3的探测端端面形状示意图；
图6为实施例4的探测端横截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例一、如图1所示，本实施例包括2束发射光纤束和6束接收光纤束，图中，第一束发射光纤束3、第二束发射光纤束4以及第一束接收光纤束7、第二束接收光纤束、…、第六束接收光纤束12的一端在金属外壳2内集束成集中光纤束，其端面构成探测端1；各发射光纤束和接收光纤束的横截面为面积相同的矩形，尺寸均为2.5mm×3mm；
在金属外壳2内2束发射光纤束和6束接收光纤束之间采用粘接胶粘合；第一束发射光纤束3、第二束发射光纤束4的另一端分别装有峰值波长为940nm的红外发光二极管5和峰值波长为590nm的黄色发光二极管6，6束接收光纤束的另一端分别装有1个光电三极管13。
本实施例中，所述2束发射光纤束及6束接收光纤束在集中光纤束的端面分布形式为矩形行列分布，如图2所示，2束发射光纤束(图中点状矩形块)分别位于2行4列矩阵的2行，且两两之间距离最大，2行4列矩阵中每束发射光纤束所在行的其余矩阵单元位置各放置3束接收光纤束(图中带斜线矩形块)。所述探测端表面与光纤束光轴成90°的角度。
实施例二、本实施例包括3束发射光纤束和6束接收光纤束，3束发射光纤束和6束接收光纤束一端在金属外壳内集束成集中光纤束，其端面构成探测端；各发射光纤束和接收光纤束的横截面为面积相同的矩形，尺寸均为3.33mm×3mm；
在金属外壳内3束发射光纤束和6束接收光纤束之间采用粘接胶粘合；3束发射光纤束的另一端分别装有峰值波长为940nm的红外发光二极管、峰值波长为700nm的红色发光二极管和峰值波长为590nm的黄色发光二极管，6束接收光纤束的另一端分别装有1个光电三极管。
本实施例中，所述3束发射光纤束及6束接收光纤束在集中光纤束的端面分布形式为矩形行列分布，如图3所示，3束发射光纤束(图中点状矩形块)分别位于3行3列矩阵的3行，且两两之间距离最大，3行3列矩阵中每束发射光纤束所在行的其余矩阵单元位置各放置2束接收光纤束(图中带斜线矩形块)。所述探测端表面与光纤束光轴成90°的角度。
实施例三、本实施例包括2束发射光纤束和4束接收光纤束，2束发射光纤束和4束接收光纤束一端在金属外壳内集束成集中光纤束，其端面构成探测端；各发射光纤束和接收光纤束的横截面面积相同；
在金属外壳内2束发射光纤束和4束接收光纤束之间采用粘接胶粘合；2束发射光纤束的另一端分别装有峰值波长为940nm的红外发光二极管和峰值波长为590nm的黄色发光二极管，4束接收光纤束的另一端分别装有1个光电三极管。
本实施例中，所述2束发射光纤束及4束接收光纤束在集中光纤束的端面分布形式为同轴式分布，如图4所示，2束发射光纤束各自呈1/2圆形式在中心圆均匀分布，(图中点状块)，直径为2.6mm，4束接收光纤束各自呈扇形在环绕中心圆的外层圆环内沿径向逐层分布，(图中带斜线扇形块)，由内至外的直径分别为3.7mm和4.5mm；如图5所示，所述探测端表面与光纤束光轴成45°的角度。
实施例四、本实施例包括3束发射光纤束和6束接收光纤束，3束发射光纤束和6束接收光纤束一端在金属外壳内集束成集中光纤束，其端面构成探测端；各发射光纤束和接收光纤束的横截面面积相同；
在金属外壳内3束发射光纤束和6束接收光纤束之间采用粘接胶粘合；3束发射光纤束的另一端分别装有峰值波长为940nm的红外发光二极管、峰值波长为700nm的红色发光二极管和峰值波长为590nm的黄色发光二极管，6束接收光纤束的另一端分别装有1个光电三极管。
本实施例中，所述3束发射光纤束及6束接收光纤束在集中光纤束的端面分布形式为同轴式分布，如图6所示，3束发射光纤束各自呈1/3圆形式在中心圆均匀分布，(图中点状块)，直径为2.6mm，6束接收光纤束各自呈扇形在环绕中心圆的外层圆环内沿径向逐层分布，(图中带斜线扇形块)，由内至外的直径分别为3.7mm和4.5mm；所述探测端表面与光纤束光轴成,30°的角度。