专利名称：采用振管原理的冰传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种信息产业及现代服务业领域传感器网络及智能信息处理技 术应用领域，具体涉及一种采用振管原理的冰传感器。
技术背景结冰传感器出现的历史并不长，然而，由于它在军事领域的重要性，一出现就受到 发达国家科技界，特别是军事工业界的重视。到了九十年代中期，美国的各种军用及民用飞 机、如B-IB飞机、B-747/B--767飞机、MD-Il、MD_80等飞机都先后安装了结冰传感器，不 仅如此，美国还把结冰传感器应用于导弹、雷达及无线电发射塔等除冰系统中。自从50年代开展结冰传感器研究以来，各国在结冰传感器的理论研究方面取得 了很大进展，结冰传感器的种类及探测方法已发展到十几种，这些方法各有特点。(1)光学 visual 式这是最简单、最直接的方法。用简单光学装置，由领航员等人直接观察物体(机翼 前部分)表面以确定是否有冰聚集。目前，这种方法已被比较先进的方法所替代。(2)障碍 obstruction 式障碍型冰传感器是在一个平面上安装一个旋转刮板，当有冰聚集于这个表面时， 刮板的转矩随之增加，在予设的转矩点，传感器给出除冰信号。通过转矩与时间关系曲线的 斜率，还能确定结冰的速率。这种方法的缺点是传感器带有可动部件，其寿命较短、可靠性 较低。(3)差压 Differentiai Pressure 式差压法的原理是用差压传感器测试冰的聚集。这种原理最早是由国际航空委员会 提出的，但一直没有被应用。(4)潜热 Latent Heat 式潜热法的原理是通过测量物体表面冰层被加热融化所需要的潜热来判断冰的存 在的，通过对这种传感器输出信号的电路处理还能指出结冰的速率。这种传感器有两种类 型一种类型是电流脉冲方式，另一种类型是恒温方式。电流脉冲方式使用周期的脉动电流流过电阻加热探头，如果冰聚积在探头上，探 头温度会在0°c (32 T )暂时停止增加。传感器敏感并指出这种状况。恒温方式是测量在恒定温度，典型值90°C (194 T )下加热探头所需的功率，仪器 在无冰条件下，必须置“零”。由水的冲击产生的功率的增加会指出水或冰的存在；结冰可以 由温度低于10°c (50 T )的条件确定。(5)微波 Microwave 式微波冰传感器由一个安装在物体表面的表面有绝缘层的波导管构成，当有冰聚集 在波导管带有绝缘层的表面时，相当于增加了波导管的有效厚度，改变了它的相位常数，从 而降低了它的谐振频率，通过谐振频率的偏移量就可算出冰层的厚度。在实验室条件下测量冰层厚度，可以达到25mm(in)。理论上它可以测量更厚重的
3冰。这种冰传感器已在空中加油飞机Cessna CruSader303飞机上成功地进行飞行试验。微 波冰传感器的优点是没有可动部件，有非常高的分辨率，可用于初期结冰指示或结冰速率 的精确测量。这种微波器件的设计可以忽略水和其它液体的影响。或这些影响可能用其它 仪器来测出。(6)Electromagnetic (EM)Beam Interruption ζ在一个一边装有敏感部件的平滑管子的另一边装有一个指向敏感部件的EM源， 随着冰在管子上的聚集，信号被阻断，这种阻断的电信号就会出现在敏感元件内。信号源可 以是可见光、红外线、激光或核射线。(7)回波 Pulse—Echo 式高频声波在冰和空气的界面会被反射，把一个小压电探头和一个发射超声波的器 件安装于物体表面或飞机机翼的边上，如果有冰出现在物体表面时，被冰和空气界面反射 的超声波会被压电器件接收，通过电路处理，就可以由声波在冰中的传播而产生的发射和 接收的时间延迟确定。这种冰传感器的优点是它的非插入式结构，缺点是需要两个探头，体 积较大。以下是几种正在研究或已经应用的比较先进的结冰探测方法(1)红外线 Infrared 式红外线冰传感器是利用多波长红外线在冰(水)层中的光吸收确定和测量聚集的 冰和水的厚度的，选择的波长要使其在冰中吸收系数和水中的吸收系数不同。这种方法测 量冰(水)厚度从几个微米到几个厘米。(2)电容 capacitance 式在传感器表层一定直径范围内印制两个不同尺寸的环形电容，当有冰或冰存在时 平面电极的电容量会产生变化，通过比较建立在两个电容上的瞬态电压，逻辑电路就可以 确定出冰层的存在和厚度。(3)热流 Thermal Flow 式这是一种表面型冰探测方法，热流原理是通过测量流过物体表面热流的变化来确 定物体表面存在的沾染物的，像霜、非冰流体、冰等。如果传感器表面结有冰层时实际热流 梯度将比计算值或理论热流梯度单调地减小。表面条件的变化被传感器探知后送到信号处 理电路，在这里，与流过同一环境空气中干净物体表面的热流值进行计算比较，由这种热流 特性的差别就可以用来指示物体表面的特定状况，如结冰量。(4)超声 ultrasonic 式在物体表面安放一套超声波的发射和接收组件，通过测量该表面内的弯曲弹性波 来确定冰层厚度，这种方法可在某一特定的区间内测量出冰层厚度的平均值对冰层厚度的 平均值(此长度区间可从厘米到米)。实验室试验表明，用该方法测量冰层厚度.上限可以 达到10mm，这种原理属于非插入式结构，并且具有自检功能。(5)振动 Vibration 式当冰聚集于振动体表面时，对振动体的固有频率会产生三种影响①质量的增加 减小了振动体的谐振频率；②刚性的增加增加了振动体的谐振频率；③阻尼的增加减小了 振动体的谐振振幅。可以利用前两种原理和技术由振动体固有频率的变动值提供结冰速率 的数据。这种原理可用压电、磁致伸缩或电感原理制作谐振探头元件。
4发明内容本实用新型的目的是提供一种利用振动材料的振动特性来制作的冰传感器。上述的目的通过以下的技术方案实现采用振管原理的冰传感器，其组成包括弹性金属振管，所述的振管中部装有固定 支板，在所述的固定支板连接激振器，所述的振管的一端插入到所述的激振器中，并且在所 述的振管外套装有拾振线圈、磁铁和激振线圈，所述的拾振线圈通过谐振放大电路连接激 振线圈。所述的采用振管原理的冰传感器，所述的拾振线圈、所述的磁铁和所述的激振线 圈之间自上而下、或者自下而上顺次连接，所述的振管为恒弹合金制作弹性金属振管。有益效果1.本实用新型实现了冰传感器的一体化设计。2.本实用新型用于结冰探测，根据谐振频率的偏移量即可确定冰层的厚度，既简 单又实用。3.本实用新型分辨率高，可广泛应用于导弹、雷达、无线电发射塔及风力发电等防 冰、除冰系统中。4.本实用新型的振管由恒弹合金弹性金属材料制成，恒弹合金的抗氧化和抗腐蚀 能力强；选用恒弹合金材料是本产品完成谐振偏移的关键。
附图1为本产品的拾振线圈在上的结构主视图。附图2为本产品的拾振线圈在下的结构俯视图。
具体实施方式
实施例1 采用振管原理的冰传感器，其组成包括弹性金属振管1，所述的振管1中部的震 荡波的节点位置装有固定支板2，在所述的固定支板2的下方设置激振器3，所述的振管的 一端插入到所述的激振器中，所述的振管1套装有拾振线圈4，所述的拾振线圈4下方设置 磁铁5，所述的磁铁5下方设置激振线圈6，所述的拾振线圈4通过谐振放大电路7连接激 振线圈6。所述的采用振管原理的冰传感器，所述的拾振线圈4和激振线圈6可以互换位置， 所述的磁铁5根据拾振线圈4和激振线圈6的需要调换位置。冰的检测由振管1施行，当振管1垂直立于环境中时，谐振放大电路7通过激振线 圈6与磁铁5为振管提供交变磁场，振管1在磁场的作用下产生轴向振动，同时拾振线圈4 在交变磁场的作用下拾取信号，并通过放大电路将此信号馈送给激振线圈6，形成一个正反 馈的闭合回路，使系统谐振于振管的振动固有频率上。根据振动理论，当振管表面出现冰层 时，其振动固有频率会产生偏移，使电路的谐振频率也产生偏移，偏移量为Δ f = f0 ‘ —f0 (1)式中f0—振管振动固有频率声；[0049]f0'—结冰后固有频率；因此通过检测振管(1)振动固有频率偏移量，即可确定结冰状态，从而确定传感 器环境的结冰状态。所述的拾振线圈4、谐振放大电路7和激振线圈6之间通过导线8连接。振管为恒弹合金制作弹性金属振管，振管的驱动磁场由激振线圈产生的正、负方 向可变的交变磁场和永久磁铁产生的偏置磁场叠加而成，使振管的振动频率与交变电流信 号的频率一致；信号拾振线圈将此频率信号提取出来经谐振放大电路放大反馈送给激振线 圈。
权利要求一种采用振管原理的冰传感器，其组成包括弹性金属振管，其特征是所述的振管中部装有固定支板，在所述的固定支板连接激振器，所述的振管的一端插入到所述的激振器中，并且在所述的振管外套装有拾振线圈、磁铁和激振线圈，所述的拾振线圈通过谐振放大电路连接激振线圈。
2.根据权利要求1所述的采用振管原理的冰传感器，其特征是所述的拾振线圈、所述 的磁铁和所述的激振线圈之间自上而下、或者自下而上顺次连接，所述的振管为恒弹合金 制作弹性金属振管。
专利摘要采用振管原理的冰传感器。结冰传感器出现的历史并不长，然而，由于它在军事领域的重要性，一出现就受到发达国家科技界，特别是军事工业界的重视。采用振管原理的冰传感器，其组成包括弹性金属振管(1)，所述的振管中部装有固定支板(2)，在所述的固定支板连接激振器(3)，所述的振管的一端插入到所述的激振器中，并且在所述的振管外套装有拾振线圈(4)、磁铁(5)和激振线圈(6)，所述的拾振线圈通过谐振放大电路(7)连接激振线圈。本实用新型用于信息产业及现代服务业领域传感器网络及智能信息处理。
文档编号G01B7/06GK201697603SQ20102016595
公开日2011年1月5日 申请日期2010年4月22日 优先权日2010年4月22日
发明者刘建伟, 张滨华, 李艳杰, 韩伟 申请人:哈尔滨市东北汽车电子工程技术研究开发中心