結(jié)冰信號(hào)器原理

結(jié)冰信號(hào)器原理感受并傳遞航空器表面結(jié)冰信息的裝置。結(jié)冰信號(hào)器系統(tǒng)對(duì)結(jié)冰探測(cè)有時(shí)間上的超前性，從而具有結(jié)冰預(yù)警功能；系統(tǒng)還能給出多個(gè)結(jié)冰部位的不同結(jié)冰速率(結(jié)冰強(qiáng)度)、優(yōu)良結(jié)冰厚度(結(jié)冰程度)等信息，使關(guān)于結(jié)冰狀況的信息更為具體和**；系統(tǒng)還能給出除冰效果信息等。總之，系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)結(jié)冰的探測(cè)和預(yù)警更為及時(shí)、準(zhǔn)確和可靠，大大提升飛行人員對(duì)結(jié)冰危情處置的能力，增強(qiáng)飛機(jī)結(jié)冰**防護(hù)水平。

結(jié)冰信號(hào)器按照安裝部位分類

結(jié)冰信號(hào)器按工作原理分類，結(jié)冰信號(hào)器有多種，但按照在飛機(jī)上安裝的部位分類，大體上有兩類：一類是結(jié)冰信號(hào)器外伸于飛機(jī)機(jī)體之外，如通常在機(jī)頭某一外側(cè)安裝的結(jié)冰信號(hào)器，以及供飛行人員目視的結(jié)冰探測(cè)棒等，這稱之為**類結(jié)冰信號(hào)器。另一類是安裝于那些容易結(jié)冰的部位，如機(jī)翼、尾翼前緣，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，直升機(jī)旋翼等，這稱之為**類結(jié)冰信號(hào)器。通常會(huì)要求這類結(jié)冰信號(hào)器體積小、重量輕，且可齊平保形安裝，以減小結(jié)冰信號(hào)器對(duì)所安裝部位氣動(dòng)外形的影響。

兩類結(jié)冰信號(hào)器原理的功能差別

**類結(jié)冰信號(hào)器原理的功能主要為探測(cè)飛機(jī)是否進(jìn)入結(jié)冰云區(qū)，給出的信息是結(jié)冰信號(hào)器(通常是一探測(cè)棒)上的結(jié)冰狀況，而非飛機(jī)機(jī)體上的結(jié)冰狀況。此信息提醒駕駛?cè)藛T，要開啟除冰、防冰系統(tǒng)，并采取正確的飛行操縱。這類結(jié)冰信號(hào)器由于通常具有較高的水滴捕獲能力，故對(duì)結(jié)冰探測(cè)的及時(shí)性較好。但由于結(jié)冰信號(hào)器上的結(jié)冰和飛機(jī)機(jī)體上的結(jié)冰之對(duì)應(yīng)關(guān)系非常復(fù)雜，難以從結(jié)冰信號(hào)器上的結(jié)冰推測(cè)飛機(jī)機(jī)體上的結(jié)冰狀況，故飛機(jī)機(jī)體上那些容易結(jié)冰部位是否真的結(jié)冰以及結(jié)冰狀況如何，這類結(jié)冰信號(hào)器尚無(wú)法確定。這是**類結(jié)冰信號(hào)器*大的缺陷。

**類結(jié)冰信號(hào)器原理安裝于需要監(jiān)測(cè)的結(jié)冰易發(fā)部位，給出的結(jié)冰信息就是飛機(jī)機(jī)體結(jié)冰部位的結(jié)冰狀態(tài)信息；在加熱系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)這類結(jié)冰信號(hào)器信號(hào)的復(fù)位情況，還可驗(yàn)證除冰效果。與**類結(jié)冰信號(hào)器相比，**類結(jié)冰信號(hào)器給出的信息就更為直接、準(zhǔn)確和可靠。在飛機(jī)防冰除冰技術(shù)方面，直升機(jī)旋翼防冰除冰是一個(gè)很獨(dú)特的領(lǐng)域翼結(jié)冰的危害 

直升機(jī)在結(jié)冰氣象條件下飛行時(shí)，大氣中的過冷水滴會(huì)迅速聚集在高速旋轉(zhuǎn)的旋翼槳葉前緣并凝結(jié)成冰，旋翼槳葉結(jié)冰會(huì)帶來(lái)一些嚴(yán)重影響，比如： 
1 改變旋翼槳葉的氣動(dòng)外形，從而降低直升機(jī)的飛行性能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致飛機(jī)失控失速，甚至墜毀。 
2 改變旋翼槳葉的質(zhì)量分部，影響旋翼的動(dòng)力學(xué)特性，導(dǎo)致旋翼振動(dòng)增大，從而使直升機(jī)失去控制。 
3 有些冰塊，會(huì)從高速旋轉(zhuǎn)的旋翼槳葉上脫落，損壞直升機(jī)上的其他部件，影響直升機(jī)的飛行**。 
直升機(jī)旋翼結(jié)冰引起的飛行事故時(shí)有發(fā)生。1980年，一架剛引進(jìn)的“超黃蜂”直升機(jī)在起飛半小時(shí)后，因旋翼結(jié)冰而在山東境內(nèi)墜毀。 
旋翼機(jī)防除冰技術(shù) 
直升機(jī)防冰除冰技術(shù)的目的之一，是采取措施使得過冷水滴不能在旋翼槳葉上凝結(jié)成冰，這叫防冰。之二是除冰措施，在除冰過程中允許結(jié)一定厚度的冰，然后除冰。 
飛機(jī)防冰除冰技術(shù)種類很多，但旋翼防冰除冰與飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)體表面、進(jìn)氣道和氣動(dòng)舵面等其他部位相比，有其特殊性，因?yàn)樾硎且粋€(gè)具有大表面積的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，同時(shí)向旋翼輸電有技術(shù)困難。因此能應(yīng)用在旋翼上的防冰除冰技術(shù)從目前來(lái)看主要包括電熱防冰除冰技術(shù)，氣熱防冰技術(shù)，氣動(dòng)帶除冰技術(shù)和液體防冰技術(shù)。 
電熱防冰除冰技術(shù) 
該技術(shù)的結(jié)冰信號(hào)器原理是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱部件的待防護(hù)表面，使其不結(jié)冰。電熱防冰系統(tǒng)一般由電源、選擇開關(guān)、過熱保護(hù)裝置，及電加熱元件等組成。選擇開關(guān)有“手動(dòng)”、“自動(dòng)”等位置，當(dāng)位于“自動(dòng)”位置時(shí)，飛機(jī)結(jié)冰傳感器感受結(jié)冰電訊號(hào)，自動(dòng)接通或斷開系統(tǒng)電源。過熱保護(hù)裝置（包括溫度傳感頭和繼電器）用來(lái)防止部件表面蒙皮過熱而變形。電加熱元件將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?duì)部件表面加熱、除冰。 
電防冰的加熱方式有連續(xù)加熱和間斷加熱兩種。一般的固定翼飛機(jī)采用連續(xù)加熱方式，而直升機(jī)旋翼則不同，因?yàn)樗试S表面有少量結(jié)冰，同時(shí)旋翼是轉(zhuǎn)動(dòng)部件，在旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)氣流，本身就有冷卻效應(yīng)，因此對(duì)旋翼加熱，耗電功率比給固定翼飛機(jī)部件加熱大得多，因此為了節(jié)電，對(duì)直升機(jī)旋翼一般采用周期加熱的方式。 

依據(jù)傳感器不同的工作原理,結(jié)冰傳感技術(shù)可以分為光學(xué)法、熱學(xué)法、電學(xué)法、機(jī)械法、波導(dǎo)法,具體分類如表1[3-4]所示。

表1所列結(jié)冰傳感器技術(shù)主要用于飛行器、動(dòng)力機(jī)械表面的結(jié)冰探測(cè)。飛行器、動(dòng)力機(jī)械表面基本只受到環(huán)境因素的影響,受其他因素的影響較少,具有較高的測(cè)量精度。

但在道路應(yīng)用方面,路況比較復(fù)雜,行駛車輛、瀝青性質(zhì)等都會(huì)對(duì)傳感器的精度造成巨大的影響,只有電容法、振動(dòng)法、光學(xué)法很少一部分技術(shù)用于路面結(jié)冰探測(cè)。

此外,電容和振動(dòng)傳感技術(shù)屬于接觸式傳感技術(shù),傳感器需要埋設(shè)在路基下,傳感器在安裝、維護(hù)、更換方面的費(fèi)用較高,壽命也較短。

因此近年來(lái)非接觸式傳感技術(shù)尤其是紅外傳感技術(shù)因其安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、抗干擾小等優(yōu)點(diǎn)在道路結(jié)冰探測(cè)上得到了一定的應(yīng)用。

紅外結(jié)冰傳感技術(shù)主要分為近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)和中紅外結(jié)冰傳感技術(shù)。

二、近紅外結(jié)冰傳感器技術(shù)

2.1 近紅外結(jié)冰傳感器技術(shù)原理

近紅外光波長(zhǎng)范圍為0.75~3μm,也被稱為反射紅外。近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)的工作原理如圖2所示。

近紅外光源發(fā)射近紅外光到路面,光電探測(cè)器接收來(lái)自路面的反射光,通過微處理器對(duì)反射光的解析來(lái)判斷路面處于干燥、水面、冰面或雪面。

由于近紅外結(jié)冰傳感系統(tǒng)需要近紅外光源提供紅外光,因此也被稱為主動(dòng)式紅外結(jié)冰傳感技術(shù)。

該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)路面結(jié)冰檢測(cè)的原因在于當(dāng)近紅外光以一定角度照射到道路表面時(shí),反射光的性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯改變。

反射光的性質(zhì)改變主要有兩個(gè)方面,一方面是取決于表面材料,如瀝青、水、冰、雪對(duì)紅外光波長(zhǎng)的吸收不同;另一方面取決于表面粗糙度,它會(huì)影響光的散射方式。

當(dāng)路面是干燥的,反射光主要以散射為主。當(dāng)路面被水和冰覆蓋時(shí),路面變得光滑,光的散射會(huì)逐漸向鏡面反射轉(zhuǎn)變。當(dāng)路面被雪覆蓋時(shí),反射光仍以散射為主,難以進(jìn)行檢測(cè),這是由于雪是一種良好的散射體。

2.2 近紅外結(jié)冰傳感器技術(shù)研究進(jìn)展

按照探測(cè)面積的不同,近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)可以分為單點(diǎn)近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)和近紅外成像結(jié)冰傳感技術(shù)。

單點(diǎn)近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)由于單一特征反射波長(zhǎng)不能較好區(qū)分路面的干、濕、冰、雪狀態(tài),因此需要使用多個(gè)特征波長(zhǎng)或波長(zhǎng)帶進(jìn)行路面狀態(tài)的區(qū)分。

瑞典中部大學(xué)[5]采用了三種特征波長(zhǎng)(960nm、1550nm和1950nm)以及數(shù)據(jù)群集的方法,很好的區(qū)分了路面的各種狀態(tài)。

單點(diǎn)近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)備成本低,算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外得到了一定的應(yīng)用。

我國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院[10]基于這一技術(shù)自主研發(fā)了一套非接觸式遙感路面狀態(tài)檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng),該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識(shí)別路面覆蓋物的類型,實(shí)現(xiàn)了水、冰及雪厚度的計(jì)算,已在湖北漢陽(yáng)高速、連云港汾灌高速以及北京和四川等國(guó)內(nèi)多條高速公路上成功應(yīng)用,路面狀態(tài)檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)100%。

單點(diǎn)近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)可以**的區(qū)分路面的不同狀態(tài),但該技術(shù)存在路面檢測(cè)范圍小,車轍和車轍之間的不同路面狀態(tài)可能存在誤報(bào)情況等缺點(diǎn)。近紅外成像結(jié)冰傳感技術(shù)可以有效的解決測(cè)量范圍小的問題,該技術(shù)的核心在于合適的圖像處理算法。

瑞典中部大學(xué)[11]采用近紅外成像儀與不同過濾器的配合,對(duì)K-近鄰法(KNN)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(NN)、支持向量機(jī)(SVM)、判別分析法(DA)、偏*小二乘法(PLS)以及*短距離算法這六種圖像處理算法進(jìn)行了比較。

研究表明,在實(shí)驗(yàn)室條件下,除*短距離算法外,其他都有94%以上的路面狀況分辨率。在路面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中,只有KNN和SVM能較好的分辨路面的不同狀況,但KNN算法相對(duì)比較耗時(shí),對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不利。

近紅外成像結(jié)冰傳感技術(shù)雖然可以很好的分辨路面的不同狀況,但需要依靠合適的圖像處理算法,對(duì)處理器性能要求較高,耗時(shí)比較多,而且設(shè)備費(fèi)用比較高,目前實(shí)際應(yīng)用較少。

三、中紅外結(jié)冰傳感器技術(shù)

3.1 中紅外結(jié)冰傳感器技術(shù)原理

中紅外光波長(zhǎng)范圍為7~14μm,也被稱為熱紅外。這是因?yàn)樽匀唤缰械娜魏挝矬w都可以看作是一個(gè)紅外輻射源,當(dāng)物體表面溫度高于優(yōu)良溫度零度0K時(shí)均會(huì)發(fā)生熱輻射,其熱輻射產(chǎn)生的光譜主要是位于紅外波段。

物體輻射的紅外線能量大小與物體的溫度以及物體表面性質(zhì)有關(guān),滿足斯特藩-玻爾茲曼定律R=εσT4,其中:R為輻射量(W·m-2),ε為輻射系數(shù),σ為玻爾茲曼常數(shù)(5.67×10-8W·m-2·K-4),T為優(yōu)良溫度(K)。

物體表面溫度越高,物體輻射的紅外線波長(zhǎng)就越短。由于物體各個(gè)部位溫度不同,輻射率不同,紅外探測(cè)設(shè)備接收的溫度信號(hào)就會(huì)不同,通過分析這些溫度信號(hào)的改變就可以判斷表面的情況。

中紅外結(jié)冰傳感器技術(shù)主要受表面輻射系數(shù)、大氣條件和溫度的影響。輻射系數(shù)的影響主要在于表面材料的不同,導(dǎo)致材料的輻射能力不同。

然而干燥瀝青路面的輻射系數(shù)在0.93到0.95之間,水面的輻射系數(shù)在0.93左右,冰面的輻射系數(shù)在0.97到0.98之間。因此即使氣候發(fā)生改變,表面輻射系數(shù)對(duì)測(cè)量的影響相對(duì)較小。

大氣條件對(duì)測(cè)量的影響主要在于空氣中水汽和二氧化碳對(duì)紅外線的吸收。圖3為大氣中水汽對(duì)紅外線的吸收情況,從圖中可以看出3~4μm,4.5~5μm,8~14μm這三個(gè)區(qū)間水蒸氣對(duì)紅外光的吸收很少。

因此紅外傳感器的工作范圍一般是在8~14μm,大氣對(duì)它的影響較小。

3.2 中紅外結(jié)冰傳感器技術(shù)研究進(jìn)展

中紅外結(jié)冰傳感技術(shù)的核心在于紅外測(cè)溫,通過溫度信號(hào)的變化來(lái)判斷路面狀況。

水和冰之間相互轉(zhuǎn)化時(shí)會(huì)放出大量的熱量,瑞典**理工學(xué)院[12]利用這一現(xiàn)象,通過機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)路面以及實(shí)驗(yàn)室中氣候箱的大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可以通過紅外溫度儀測(cè)定溫度信號(hào)來(lái)探測(cè)瀝青路面的結(jié)冰過程。

然而該方法不能測(cè)定白霜或者由雪壓實(shí)產(chǎn)生的冰面,也不能判斷冰在路面上的存活時(shí)間。

瑞典中部大學(xué)[13]在紅外測(cè)溫儀的基礎(chǔ)上,做了部分紅外熱成像實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明在一定程度上可以通過溫度信號(hào)來(lái)區(qū)分路面的不同狀況,但分辨率不高。

該技術(shù)由于采用相對(duì)單一的溫度信號(hào)進(jìn)行路面狀態(tài)監(jiān)測(cè),在很大程度上都有一定的限制。因此,該技術(shù)主要是通過與路面其它一些參數(shù)如濕度、風(fēng)速等配合,形成道路氣象站,從而進(jìn)行路面狀態(tài)的區(qū)分。

四、小編總結(jié)

為了提高道路行車**,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路面結(jié)冰已成為保障生命財(cái)產(chǎn)**、避免交通堵塞的迫切需求。

基于紅外技術(shù)的路面結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)因其非接觸式、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、耐久性強(qiáng)、信號(hào)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在道路結(jié)冰監(jiān)測(cè)方面得到了人們?cè)絹?lái)越大的關(guān)注和研究。

此外,該系統(tǒng)收集的路面路況數(shù)據(jù)不僅可以用于道路維護(hù)方面,也可以用于道路氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),為建立大型道路氣象數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)支持,對(duì)發(fā)展智慧交通和推動(dòng)我國(guó)道路交通氣象檢測(cè)能力具有重大的意義,具有廣闊的應(yīng)用前景。

五孔空速管|攻角傳感器|側(cè)滑角傳感器系統(tǒng)                    加熱型空速管

                     碳纖維空速管|不加熱空速管                     微型迎角傳感器|側(cè)滑角傳感器|空速管系統(tǒng)

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