过冷水滴结冰探测器和混合态结冰探测器的制作方法

本实用新型涉及一种过冷水滴结冰领域，尤其是一种探测飞机在空中是否存在过冷水滴结冰条件的过冷水滴结冰探测器。本实用新型还涉及一种探测飞机在空中是否存在冰晶结冰条件和过冷水滴结冰条件的混合态结冰探测器。

背景技术：

飞机飞行在空中遭遇到的结冰条件包括了适航条款14cfr25部附录c常规过冷水滴结冰条件(水滴直径≤50um)，14cfr25部附录o过冷大水滴结冰条件(50μm＜水滴直径＜500μm，称为冻毛毛雨；水滴直径≥500μm，称为冻雨)，和14cfr33部附录d冰晶结冰条件。本实用新型将附录c常规过冷水滴和附录o过冷大水滴统称为过冷水滴。当结冰条件中，同时含有过冷水滴和冰晶结冰条件，称为混合态结冰条件。

结冰探测可以在早期探测到飞机进入结冰条件，发出结冰告警信息，提示飞行员及时采取相应动作，是保障飞行安全的一项改进措施。

过冷水滴导致飞机气动表面(机翼前缘、短舱前缘等)结冰，造成飞机操稳品质降级、飞行性能损失和飞行安全裕度下降。探测过冷水滴结冰条件的探测器一般称为结冰探测器或及结冰条件探测器。

冰晶结冰条件存在于高空对流风暴的外围区域，且不能被飞机的气象雷达探测到，当飞机进入冰晶结冰条件，冰晶在低温的飞机机体和发动机表面被反弹不会造成机体结冰，但是能够进入发动机内部，随着温度的上升，在压缩机叶片上融化产生结冰，导致叶片的叶尖翘曲和撕裂，进而导致发动机推力损失，发生喘振、失速、熄火等事故；并且冰晶可能堵塞皮托管和总温传感器探头，造成高度和温度数据异常，危及飞行安全。探测冰晶结冰条件的探测器一般称为冰晶探测器或冰粒探测器。

近年来，过冷大水滴和冰晶结冰条件导致了数起坠机事故，逐渐引起适航当局关注，陆续发布了14cfr25部附录o过冷大水滴和14cfr33部附录d冰晶结冰条件法律规章，用于提高飞行安全措施。但目前，还未有过冷水滴、冰晶结冰条件或混合态结冰条件探测装置实际应用在飞机的案例。

us7,104,502公开了一种具有圆柱型磁致伸缩探头的结冰探测器，当过冷水滴撞击到探头上，随着结冰质量增加探头振动频率下降，降低到阈值后发出结冰信号，无法探测冰晶结冰条件。

专利us7,014,357公开了一种结冰条件探测器，探头内由两个干湿铂电阻温度传感器构成一个电桥，过冷水滴浓度不同电压差不同，电压变化到阈值发出结冰信号。冰晶随高速气流穿过传感器，不会在温度传感器上结冰，无法探测冰晶结冰条件。

专利us7,845,221公开了一种冰晶探测装置，由两个并列的圆锥形管组成，一个圆锥管恒定加热，一个圆锥管不加热，两个压力传感器分别测量两者的压力计算压差，冰晶撞击到后者圆锥管而堵塞该圆锥管，压差变化到阈值，发出告警。不足之处，两个圆锥管的构造，结构复杂，电功率消耗大。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种过冷水滴结冰探测器，其包括至少一个轴向延伸的过冷水滴结冰探头和至少一个控制器。每一过冷水滴结冰探头包括在一侧的过冷水滴结冰探头迎风面和与过冷水滴结冰探头迎风面相对的过冷水滴结冰探头背风面，并包括沿第一轴向延伸的第一杆体和检测装置。检测装置包括安装在第一杆体端部的第一光电传感器，第一光电传感器在迎风面形成与第一杆体表面间隔的第一光路，用于监测形成在第一杆体表面上的结冰。每一控制器与检测装置相连接，且控制器根据第一光电传感器反馈的电信号变化，判断是否存在过冷水滴结冰条件。

较佳地，第一杆体的直径在5mm-8mm的范围，第一光路与过冷水滴结冰探头迎风面之间的距离在0.3mm-0.5mm的范围，过冷水滴结冰探头还包括设置在第一杆体两端的第一整流元件，第一光电传感器安装在第一整流元件中。

较佳地，第一光电传感器为有源光电式传感器，其光通量恒定。

较佳地，第一光电传感器为透射式光电传感器、或开关式光电传感器，其发射端和接收端分别设置在第一杆体的两端的第一整流元件中。

较佳地，第一光电传感器为反射式光电传感器，其发射端和接收端设置在过冷水滴结冰探头的一端的第一整流元件中，过冷水滴结冰探头的另一端的第一整流元件的相对接收端的表面为光反射表面。

较佳地，第一整流元件的横截面外形包括圆形，水滴形，或翼型。

较佳地，过冷水滴结冰探头还包括加热装置，加热装置包括设置在第一整流元件的第一温度传感器和第一电加热元件以及设置在第一杆体上的第二温度传感器和第二电加热元件，第一电加热元件用于加热第一整流元件，第二电加热元件用于加热第一杆体。

较佳地，结冰探测器还包括用于支撑过冷水滴结冰探头的支撑部件，使得支撑部件和第一杆体纵向延伸。

根据本实用新型的第二方面，提供一种混合态结冰探测器，其包括至少一个冰晶收集探头和至少一个如上述技术方案中的过冷水滴结冰探测器。每一冰晶收集探头包括与过冷水滴结冰探头的相同的在一侧的冰晶收集探头迎风面和与冰晶收集探头迎风面相对的冰晶收集探头背风面，并包括:

沿第二轴向延伸的第二杆体,

设置在第二杆体中、位于迎风面沿第二杆体的第二轴向延伸的凹槽，凹槽包括开口和底部，底部用于积聚冰晶，以及

检测装置，检测装置包括安装在第二杆体两端或一端的第二光电传感器，第二光电传感器在凹槽中形成与凹槽的底部间隔的第二光路，用于监测积聚在凹槽的底部上的冰晶。

其中，控制器与第二光电传感器相连接，且控制器根据第二光电传感器反馈的电信号变化，判断是否存在冰晶结冰条件。第二杆体纵向设置并固定和支撑于第一杆体的顶端。

较佳地，在上述过冷水滴结冰探测器的基础上，第二杆体为圆柱体，第二光路与冰晶收集探头迎风面之间的距离与第一光路相同，冰晶收集探头还包括设置在第二杆体两端或一端的第二整流元件，第二光电传感器安装在第二整流元件中。

较佳地，设置在第一杆体的顶端的第一整流元件和设置在第二杆体的底端的第二整流元件为同一个整流元件，第二整流元件与第一整流元件相同。

较佳地，过冷水滴结冰探测器为上述技术方案的过冷水滴结冰探测器，其中，第二光电传感器与第一光电传感器相同。

较佳地，过冷水滴结冰探测器为上述技术方案的过冷水滴结冰探测器，其中，冰晶收集探头还包括与过冷水滴结冰探头相同的加热装置。

较佳地，控制器构造成包括以下逻辑判断：

e.若冰晶信号为真，结冰信号为真，则控制器激发混合态结冰告警信号；

f.若冰晶信号为真，结冰信号为假，则控制器激发冰晶结冰告警信号；

g.若冰晶信号为假，结冰信号为真，则控制器激发过冷水滴结冰告警信号；

h.若冰晶信号为假，结冰信号为假，则控制器不激发结冰告警信号。

本实用新型的总的有益效果：本实用新型具有结构形式简单、可靠性高等优点，易于在飞上的安装布置。根据其中的技术方案，可将探头部分与控制器分离设置，扩大安装和使用范围。

附图说明

图1是过冷水滴结冰探测器的示意性等轴视图，其示出了根据本实用新型的第一实施例，图中箭头方向为气流方向；

图2是混合态结冰探测器的示意性等轴视图，其示出了根据本实用新型的第二实施例，其中，所示的混合态结冰探测器包含了图1所示的过冷水滴结冰探测器；

图3是图2所示混合态结冰探测器的正视图；

图4是沿图3所示的混合态结冰探测器的轴向截取的几个横截面的剖视图；

图5是图3所示视图中的d-d向截面图，其示出了冰晶收集探头的具体结构。

图6示出了图2所示混合态结冰探测器中的控制器所包含的判断逻辑。

上述附图仅仅是示意性的，未严格按照比例绘制。

图中的附图标记在技术方案和实施例中的列表：

1－冰晶收集探头，包括：

11－第二杆体

12－冰晶收集探头的迎风面；

13－冰晶收集探头的背风面；

14－凹槽；

15－凹槽的开口；

16－凹槽的底面；

2－支撑部件；

3－控制器；

4－法兰盘；

5－箭头；

1－冰晶收集探头，还包括：

6－第二光电传感器；

7－第二整流元件；

8－检测的第二光路；

9－冰晶；

1a－过冷水滴结冰探头，包括：

11a－第一杆体；

12a－过冷水滴结冰探头的迎风面；

13a－过冷水滴结冰探头的背风面；

7a－第一整流元件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步描述本实用新型，从而更清楚地连接本实用新型的实用新型原理和有益的技术效果。

本文中使用的术语说明：

迎风面：面对气流的一面；

背风面：与迎风面相对，背对气流的一面；

纵向：指基本垂直于机体的安装根据本实用新型的探测器的安装表面；

横向：指基本平行于机体的安装根据本实用新型的探测器的安装表面；

底端：靠近探测器的支撑部件的一端；

顶端：远离探测器的支撑部件的一端；

稍微高于冰点温度：冰晶被收集到探测器后仍然能够结冰的温度。

如图1所示，本实用新型提供一种探测飞机在空中是否存在过冷水滴结冰条件的过冷水滴结冰探测器。该过冷水滴结冰探测器包括至少一个轴向延伸的过冷水滴结冰探头1a和至少一个控制器3。每一过冷水滴结冰探头1a包括在一侧的迎风面12a和与迎风面12a相对的背风面13a，并包括：

沿第一轴向延伸的第一杆体11a；

安装在第一杆体11a两端或一端的第一光电传感器，第一光电传感器在迎风面12a形成与第一杆体11a表面间隔的第一光路(图中未示)，第一光路在第一杆体11a的两端之间，沿第一轴向延伸，用于监测形成在第一杆体11a表面上的结冰。

每一控制器3与第一光电传感器相连接，且控制器3根据第一光电传感器反馈的电信号变化，判断是否存在过冷水滴结冰条件。

根据本实用新型构造的过冷水滴结冰探头1a具有如下有益效果：

a.通过简单的增加过冷水滴结冰探头1a1长度，一方面增加了过冷水滴结冰的表面积，另一方面有效的增加了光电传感器的检测长度。当飞机在偏航或大攻角状态下，气动特性变化，过冷水滴结冰探头1a的端部可能会产生剧烈的稳流，受到干扰或屏蔽的影响，但过冷水滴结冰探头1a的轴向总有足够有效的过冷水滴结冰表面，保证了这些条件下的过冷水滴结冰效果。

b.采用本实用新型，使得检测方式为非接触测量。当过冷水滴结冰探头1a的迎风面12上有过冷水滴结冰，光路被切断或光通量显著降低，接收端的光敏器件无电信号或电流号显著降低小于设置阈值，表征探测到过冷水滴结冰。

c.本实用新型结构简单，可靠性高，易于实现，响应快，精度高，功耗极小，抗干扰能力强。

d.可将过冷水滴结冰探头1a与控制器3分离设置，扩大安装和使用范围。也可配合照明元件，安装在风挡中间框架上，作为目视结冰指示杆使用。

第一实施例

具体地，在如图1所示的实施例中，过冷水滴结冰探测器包括轴向延伸的过冷水滴结冰探头1a、轴向延伸的支撑部件2、法兰盘4和控制器3。其中，过冷水滴结冰探头1a和支撑部件2纵向设置，过冷水滴结冰探头1a的底端固定和支撑在支撑部件2的顶端，使得过冷水滴结冰探头1a通过支撑结构深入到结冰条件中。控制器3与过冷水滴结冰探头1a、支撑部件2构造成一体化结构，并通过法兰盘4安装在飞机的气动表面。其中箭头5表明了气流方向，使用不褪色的油漆或颜料印刷在法兰盘4，并起到提示安装方向的作用。较佳地，第一杆体11a的直径在5mm-8mm的范围，过冷水滴直径相对圆柱体直径尺寸较小。常规过冷水滴的水收集系数极高，能够达到0.9以上。而随着过冷水滴直径增加，大过冷水滴的飞溅、破碎、溢流等效应增强，水收集系数显著下降，造成该圆柱体延时结冰或不能够结冰，因此，对于大过冷水滴则采用较大直径的圆柱体。圆柱形的第一杆体11a使得过冷水滴撞击后形成积冰，冰晶撞击后反弹飞溅不会积聚。第一光路与迎风面12a之间的距离在0.3mm-0.5mm的范围，一方面保证了探测的精度，另一方面避免了表面受到灰尘，油脂等杂质污染而影响光路。

过冷水滴结冰探头1a还包括设置在第一杆体11a两端的第一整流元件7a，第一整流元件7a也可仅仅设置在第一杆的顶端或底端，如此，第一光电传感器可安装在位于第一杆体11a两端的第一整流元件7a中，或安装在位于第一杆体11a一端的第一整流元件7a中。第一光电传感器产生用于检测的第一光路，当过冷水滴结冰在第一杆体11a上，则切断第一光路或光通量显著变化，发出冰晶结冰信号。

一方面，第一整流元件7a能够减弱端部的气流分离，保证过冷水滴探头具有足够长度有效的过冷水滴结冰面积，特别是在偏航、大攻角情况，以及过冷水滴含量极小时，第一整流元件7a的作用尤为显著；另一方面，第一光电传感器安装在第一整流元件7a内的凹穴部位，能够有效避免或极大的减少外界条件(比如阴天、云、阳光、夜晚、太阳方位等等)的影响，抗干扰能力强。优选地，第一整流元件7a可以采用透明体。

优选地，第一光电传感器为有源光电式传感器，其光通量恒定。进一步优选地，有源光电式传感器可为透射式光电传感器、开关式光电传感器，其发射端和接收端分别设置在过冷水滴探头的顶端和底端的第一整流元件7a中。有源光电式传感器可为反射式光电传感器，其发射端和接收端设置在过冷水滴结冰探头1a的一端(例如顶端)的第一整流元件7a中，另一端的第一整流元件7a朝向相对一端的表面为光反射表面。

有源光电式传感器包括发射端的发光二极管或激光二极管，接收端包括光敏器件，发射端的光特性能够预先调制，且以恒定光通量形成检测的第一光路，能够有效避免或极大的减少外界条件(比如阴天、云、阳光、夜晚、太阳方位等等)的影响，抗干扰能力强。使用开光式光电传感器，当第一杆体11a上有过冷水滴结冰，第一光路被切断，接收端的光敏器件无电信号，该检测方式简单可靠，敏感度高。

第一整流元件7a的横截面外形包括圆形，水滴形，或翼型。较佳地，第一整流元件7a的横截面外形为圆形，这样，使第一整流元件7a的横截面的形状与过冷水滴结冰探头1a的横截面形状相一致，两者形状的配合能够达到整流的作用。

此外，过冷水滴结冰探头1a的第一整流元件7a配置有第一温度传感器和第一电加热元件(图中未示出)，过冷水滴结冰探头1a的杆体配置有第二温度传感器和第二加热元件(图中未示出)。温度传感器用于控制在设定的温度时，开启第一光电传感器，开始检测；以及控制加热元件的加热功率。

第二实施例

在上述的过冷水滴结冰探测器的基础上，再结合根据本实用新型的图5所示的冰晶收集探头1，就可以形成能够探测混合态结冰条件的混合态结冰探测器。如图2所示，混合态结冰探测器包括如图5所示的冰晶收集探头1和如图1所示的过冷水滴结冰探测器。

如图5所示，冰晶收集探头1包括与过冷水滴结冰探头1a相同的在一侧的迎风面12和与迎风面12相对的背风面13，并包括：沿第二轴向延伸的第二杆体11；设置在第二杆体11中、位于迎风面12沿第二杆体11的第二轴向延伸的凹槽14，凹槽14包括开口15和底部16，底部16用于积聚冰晶；安装在第二杆体11两端或一端的第二光电传感器6，第二光电传感器6在凹槽14中形成与凹槽14的底部16间隔的第二光路8，第二光路8与第一光路类似，用于监测积聚在凹槽14的底部16上的冰晶。

过冷水滴结冰探测器的控制器3与第二光电传感器6相连接，且控制器3根据第二光电传感器6反馈的电信号变化，判断是否存在冰晶结冰条件。第二杆体11纵向设置并固定和支撑于第一杆体11a的顶端，第二光电传感器6与第一光电传感器相同。

冰晶收集探头1的杆体和过冷水滴结冰探头1a的杆体设置为轴对称的圆柱体，使得流场能够保持稳定且沿轴向均布，飞机的偏航角和攻角改变对圆柱体的结冰性能影响很小。

如图5所示，第一光路8设置在冰晶收集探头1的凹槽14内,与凹槽14底部16之间的距离在0.3mm-0.5mm范围。冰晶收集探头1还包括与第一整流元件7a相同的设置在第二杆体11两端的第二整流元件7，第二整流元件7也可以仅仅设置在第二杆体11的顶端或底端。较佳地，设置在第一杆体11a的顶端的第一整流元件7a和设置在第二杆体11的底端的第二整流元件7为同一个整流元件。与第一光电传感器相同，第二光电传感器6也安装在第二整流元件7中。

冰晶收集探头1还可以包括与冰晶收集探头1相同的加热装置，使第二整流元件7配置有与第一温度传感器和第一电加热元件(图中未示出)相同的温度传感器和电加热元件，第二杆体11配置有与第二温度传感器和第二加热元件(图中未示出)相同的温度传感器和电加热元件。

如图6所示，混合态结冰探测器的控制器3构造成包括以下逻辑判断：

1)若冰晶信号为真，结冰信号为真，则控制器3激发混合态结冰告警信号；

2)若冰晶信号为真，结冰信号为假，则控制器3激发冰晶结冰告警信号；

3)若冰晶信号为假，结冰信号为真，则控制器3激发过冷水滴结冰告警信号；

4)若冰晶信号为假，结冰信号为假，则控制器3不激发结冰告警信号。

冰晶信号为真，表征探测到冰晶结冰条件，反之，未探测到；结冰信号为真，表征探测到过冷水滴结冰条件，反之，未探测到。根据两个探头检测到的信号状态，控制器3进行综合逻辑判断，能够达到探测且区分冰晶结冰条件，过冷水滴结冰条件，混合态结冰条件，并能够激发相应的告警信号。

以上内容描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式中技术特征作出多种更换或组合，这些更换或组合均落入本实用新型的保护范围。例如，冰晶收集探头和冷水滴结冰探头可以更换位置。