一种基于柔性热敏式传感器的物体表面结冰检测方法

本发明属于结冰检测与防除冰领域，具体涉及一种基于柔性热敏式传感器的物体表面结冰检测方法。

背景技术：

1、飞机结冰会对飞机飞行的综合性能产生严重影响：机身表面结冰常导致翼面升力系数降低、分离提前、飞行阻力增加等不利影响，发动机进气道结冰将影响其内表面气动性能，导致气流紊乱甚至局部分离，甚至引起发动机叶片震动，若进气道的结冰脱离甚至会引起与发动机叶片的撞击，严重威胁发动机安全，形成飞行安全隐患。因此，飞机结冰检测进而展开防除冰研究对提高飞行安全具有重要意义。

2、对于风力发电，高原、高寒地区的风力机在结冰气象下易产生结冰，导致叶片的气动外形改变进而对叶片的阻力特性产生不利影响，使得风能转化效率下降，甚至损坏叶片，造成经济损失。因此，风力机叶片上的结冰检测对于风力发电的高效、节能运行具有实际的工程意义。

3、目前，国际上主要的结冰检测传感器主要包括：光学式、机械式、电学式、热学式等。光学检测方法通过检查光阻或光反射信号判断结冰；机械式方法以谐振检测为例，结冰会改变敏感元件的质量或刚度进而影响其谐振频率从而实现检测；电学检测方法以常见的有压电式和电容式，分别通过结冰对敏感元的作用力或介电常数改变产生电学信号变化，进而实现结冰检测。但是这些传统的结冰检测方法，检测传感器的整体体积较大，对于翼型、风机叶片前缘曲面等扁薄构型处应用：一方面是保形安装难度大，易对流场造成干扰形成局部湍动从而导致结冰传感器表面与测量物面的结冰情况不一致，影响结冰检测；另一方面是，考虑到工程应用的经济性，这些结冰检测手段价格昂贵，一般仅在大型飞机上有所装备，而在小型飞机、风机叶片等小型设施上尚未广泛使用。

4、本发明所提出的一种基于柔性热敏式传感器的结冰检测方法属于热学式测量。与传统热学式结冰检测中的温差类和热阻类检测手段不同的是，本发明所述的检测手段通过判断柔性热敏式传感器热敏单元的强制对流换热情况实现结冰检测，虽无法实现结冰量的定量测量，但却具备结构简单、低成本、高灵敏度、高时/空分辨率、便于复杂曲面的保形安装以及结冰过程中的三相介质变化的定性检测优势，满足飞行器、风机叶片防除冰工程中的结冰检测问题应用需求。

技术实现思路

1、本发明旨在提出一种结冰检测方法，具体是基于柔性热敏式传感器的结冰检测技术，可根据平齐安装于被测物面的柔性热敏式传感器输出信号的动态特征对被测物体表面的实际结冰情况进行判断。

2、本发明所述的结冰检测方法，其关键特征在于，主体测量单元是柔性热敏式传感器，所述柔性热敏式传感器包括：热敏单元1；引线单元2；pi柔性基底3。

3、本发明所述柔性热敏式传感器，其特征在于，采用微机电系统(mems)加工工艺技术制备，具备小尺寸、小流场干扰的高空间分辨率测量优势；当采用恒温模式驱动时，传感器频响可达数十千赫兹，具备高时间分辨率的测量优势。

4、本发明所述的柔性热敏式传感器，其特征在于，若通过热敏单元1表面的流体介质是纯气态或纯液态时，传感器的工作原理是强制对流换热，工作过程满足工作方程：

5、

6、其中，ew是柔性热敏式传感器的输出电压；rw是传感器热敏单元1的工作电阻；λs是传感器pi柔性基底3的导热系数；lh是传感器热敏单元1的流向工作长度；wh是传感器热敏单元1的展向宽度；a是与边界层速度型、热敏单元1与周围环境建立起的温度边界层有关的常数；δth-s和δth-f分别是传感器热敏单元1与pi柔性基底3和流场之间的温度差；ρ是流体介质的密度；cp是流体介质的定压比热容；λf是流体介质的导热系数；μ是流体介质的动力粘度；τ是传感器测量点处的流体壁面剪应力。

7、本发明所述的柔性热敏式传感器，其特征在于，若所测量物面位置发生结冰现象，传感器热敏单元1无法与流场间进行强制对流换热，此时柔性热敏式传感器热敏单元1的工作方程应满足：

8、

9、其中，λc是冰的导热系数，δth-c是传感器热敏单元1与冰之间的温度差。

10、由于冷空气、过冷水、冰以及传感器pi柔性基底3之间的导热系数彼此之间存在巨大差异，冷空气与过冷水之间的粘度也存在显著差别，因此，流经热敏单元1的流体介质的气、液相转变以及结冰过程均会由于存在导热系数变化而导致热敏式传感器的输出信号产生一系列震荡、突变特征信号。

11、进一步的，由于冷空气、过冷水、冰以及传感器pi柔性基底3之间的导热系数具有λice>>λscw>>λs>>λair关系，且冷空气与过冷水的粘度具有μscw>>μair关系，因此，各状态下传感器热敏单元1的输出电压信号间存在关系：

12、escw>eair>eice>e0

13、其中，λscw、μscw、escw分别是过冷水的导热系数、动力粘度以及过冷水流经热敏单元1时的输出电压；λair、μair、eair分别是冷空气的导热系数、动力粘度以及冷空气流经热敏单元1时的输出电压；λice、eice分别是冰的导热系数和测量物面及热敏单元1结冰时的输出电压；e0为被测试工况下无流动、未结冰时柔性热敏式传感器的基准电压。

14、结合以上分析，本发明提出了一种基于热敏式传感器的物体表面结冰检测方法，具体步骤如下：

15、步骤一：将热敏式传感器平齐安装与被测物体表面；

16、步骤二：采用恒温驱动电路对热敏式传感器进行驱动，使得传感器热敏单元1工作温度th低于0℃并高于流场中的过冷水温度tscw，即0>th>tscw，以保证热敏单元1对物面结冰无影响；

17、步骤三：对热敏式传感器的输出电压进行采集，并进行分析，具体分析方法如下：当柔性热敏式传感器的输出信号的脉动强度时，则表明热敏单元1(被测物面)上正是复杂的两相流动过程，输出信号表现为剧烈的波动状态，其中，e′rms为输出电压信号脉动分量的均方根值，为输出电压信号的平均值，a为判断阈值；当传感器的输出信号产生显著负阶跃特征信号时，即表明热敏单元1(被测物面)开始产生结冰现象，判别方法为：通过基于柔性热敏式传感器输出信号的小波分析，并定义分尺度、归一化的小波变换系数分布w(n)e(b)进行输出信号的突变点检测，实现结冰起始时间点判断。

18、其中，本发明所述分尺度、归一化的小波变换系数分布w(n)e(b)的计算公式定义为：

19、

20、其中，cψ为小波允许条件；e(t)为传感器输出时序信号；ψb(n)(t)为第n尺度下的小波函数；b为小波平移因子。

21、优选的，可使用haar小波作为母函数对热敏式传感器的输出信号进行分析。在该小波母函数下，所定义的分尺度、归一化的小波变换系数分布w(n)e(b)的极大值点对应传感器输出信号的负向阶跃突变转折点；w(n)e(b)的极小值点对应传感器输出信号的正向阶跃突变转折点。因此，输出信号的haar小波归一化的小波变换系数分布w(n)e(b)的极大值点所对应时刻即为热敏单元1(物体表面)结冰的起始时间点。

22、优选的，为准确判断传感器输出信号的突变点位置，应结合多个尺度上的归一化小波变换系数分布w(n)e(b)作综合观察判断，以减小输出信号频率混叠或噪声干扰带来的检测影响。

23、有益效果：

24、本发明所述的一种物体表面结冰的检测方法结合了基于mems技术的柔性热敏式传感器高灵敏度、高时空分辨率输出的优势，适用于各种复杂曲面气动外形的结冰定性检测，同时结冰与否的判别方式十分简单，不仅可用于防冰预报，还特别适合于与防除冰系统中除冰单元相结合形成反馈控制模块，具有良好的工程运用前景。