專利名稱：旋轉(zhuǎn)物表面非接觸式結(jié)冰探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電傳感器，具體為旋轉(zhuǎn)物表面非接觸式結(jié)冰探測(cè)器，用于對(duì)直升機(jī)
旋翼及其它旋轉(zhuǎn)物體表面結(jié)冰狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)。
背景技術(shù)：
目前國(guó)外用于直升機(jī)旋翼結(jié)冰的方法主要有以下五種(1)直升機(jī)旋翼結(jié)冰被動(dòng) 式紅外探測(cè)方法通過(guò)紅外探測(cè)器來(lái)探測(cè)過(guò)冷水滴在直升機(jī)旋翼表面結(jié)冰時(shí)釋放出的熱量， 得到相應(yīng)的直升機(jī)旋翼結(jié)冰信息。該方法要求高靈敏度的紅外探測(cè)器，這樣不但紅外探測(cè) 器價(jià)格昂貴，而且紅外探測(cè)器很容易受到外界環(huán)境的干擾，影響測(cè)量結(jié)果。(2)基于時(shí)域反 射的直升機(jī)旋翼結(jié)冰探測(cè)法是在直升機(jī)旋翼表面展向方向粘連一根傳輸導(dǎo)線，并在傳輸導(dǎo) 線發(fā)射一個(gè)電磁脈沖，此電磁脈沖沿著傳輸導(dǎo)線傳播，在傳輸導(dǎo)線阻抗發(fā)生變化的地方發(fā) 生反射，由于冰和空氣不同的介電特性得到不同的反射波形，從而推求直升機(jī)旋翼表面結(jié) 冰的變化情況。(3)英國(guó)普萊西(Plessey)航空電子公司于上個(gè)世紀(jì)八十年代的發(fā)明結(jié)冰 探測(cè)器，是通過(guò)探測(cè)外界的環(huán)境溫度、大氣壓強(qiáng)和液態(tài)水含量作為結(jié)冰強(qiáng)度的度量標(biāo)準(zhǔn)。上 述方法(2)和(3)都須接觸冰表面，采用接觸式方法測(cè)量。(4)聲表面波法利用聲表面波 在傳播過(guò)程中受到介質(zhì)的材料參數(shù)和介質(zhì)層厚度的影響，其頻移或者相變的形式會(huì)發(fā)生改 變的原理獲得結(jié)冰信息。但是此方法容易受旋翼表面積水和環(huán)境溫度變化的影響，還未見(jiàn) 其實(shí)際應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。(5)2004年美國(guó)公布一項(xiàng)激光能量反射的直升機(jī)旋翼結(jié)冰探測(cè)器專利 (專利號(hào)US6819265B2)，這種探測(cè)器利用激光器向直升機(jī)旋翼表面發(fā)射激光脈沖，當(dāng)直升 機(jī)旋翼表面結(jié)冰時(shí)，通過(guò)激光反射能量的變化，可以對(duì)直升機(jī)飛行環(huán)境中的大氣液態(tài)水含 量(LiquidWater Content,簡(jiǎn)稱LWC)進(jìn)行測(cè)量，得到相應(yīng)的直升機(jī)旋翼結(jié)冰信息。但是此 項(xiàng)技術(shù)屬于間接測(cè)量，也未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。 國(guó)內(nèi)的直升機(jī)旋翼結(jié)冰探測(cè)技術(shù)相對(duì)于西方發(fā)達(dá)國(guó)家而言，發(fā)展比較落后，到目 前為止，國(guó)內(nèi)沒(méi)有任何一家單位可以提供相關(guān)技術(shù)或產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)物表面非接觸式結(jié)冰探測(cè)器，能以非接觸方式直 接探測(cè)直升機(jī)旋翼及其它旋轉(zhuǎn)物體表面的結(jié)冰狀態(tài)和范圍。 旋轉(zhuǎn)物表面非接觸式結(jié)冰探測(cè)器，包括信號(hào)發(fā)生器12、激光驅(qū)動(dòng)器1、激光探頭、 光電探測(cè)器3、信號(hào)預(yù)處理單元、高門限比較器7、高門限展寬器9、低門限比較器8、低門限 展寬器10、信號(hào)處理器11和告警電路； 信號(hào)發(fā)生器12通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)器1驅(qū)動(dòng)激光探頭產(chǎn)生射向旋轉(zhuǎn)物表面的激光脈沖， 光電探測(cè)器3接收旋轉(zhuǎn)物表面返回的光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理 單元放大和提高信噪比后，分為兩路第一路經(jīng)過(guò)高門限比較器7和高門限展寬器9到達(dá)信 號(hào)處理器ll，信號(hào)處理器11依據(jù)第一路信號(hào)判別旋轉(zhuǎn)物表面沿弦向的結(jié)冰分布范圍；第二 路經(jīng)過(guò)經(jīng)低門限比較器8和低門限展寬器10到達(dá)信號(hào)處理器ll，信號(hào)處理器11依據(jù)第二路信號(hào)判別旋轉(zhuǎn)物表面經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器探頭上方的渡越時(shí)間；信號(hào)處理器11依據(jù)兩路信 號(hào)的判別結(jié)果產(chǎn)生結(jié)冰告警信號(hào)并輸出給告警電路。 本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明以非接觸方式直接探測(cè)直升機(jī)旋翼及其它旋轉(zhuǎn) 物體表面的結(jié)冰狀態(tài)和范圍，通過(guò)發(fā)射小功率激光到被測(cè)旋轉(zhuǎn)物表面，物體表面結(jié)冰部位 因吸收造成反射光強(qiáng)度發(fā)生變化，實(shí)時(shí)探測(cè)接收光強(qiáng)度的變化即可探測(cè)結(jié)冰的狀態(tài)信息， 同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)冰部位的渡越時(shí)間，可判斷結(jié)冰部位沿弦向的分布范圍。采用非接觸 方式避免了可動(dòng)部件測(cè)量信號(hào)的傳遞，適用于對(duì)直升機(jī)旋翼及其它旋轉(zhuǎn)物體表面結(jié)冰狀況 進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)。安裝方便，確保不破壞直升機(jī)旋翼及旋轉(zhuǎn)物體結(jié)構(gòu)，同時(shí)信號(hào)傳遞無(wú)需通過(guò) 集流環(huán)。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2為激光探頭結(jié)構(gòu)圖； 圖3為激光探頭端面圖； 圖4為雙閾值比較器輸出信號(hào)圖； 圖5為雙閾值比較展寬輸出信號(hào)圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合圖1至圖5對(duì)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
詳細(xì)說(shuō)明。 在圖1中，由信號(hào)發(fā)生器12產(chǎn)生方波，除通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)器1驅(qū)動(dòng)激光器2產(chǎn)生激 光脈沖以外，同時(shí)作為參考信號(hào)給同步積分器6、作為中斷信號(hào)給數(shù)字信號(hào)處理器11。當(dāng)無(wú) 結(jié)冰發(fā)生時(shí)，發(fā)射光通過(guò)激光探頭射向旋翼或旋轉(zhuǎn)物體表面，并反射回較強(qiáng)的反射光，光電 探測(cè)器3可以探測(cè)到相對(duì)較強(qiáng)的光信號(hào)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)物體探測(cè)表面有結(jié)冰時(shí)，該波長(zhǎng)下的發(fā)射 光被冰層吸收一部分，反射回相對(duì)較弱的反射光，光電探測(cè)器3探測(cè)到相對(duì)較弱的光信號(hào)。 光電探測(cè)器3將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)前置放大器4、可調(diào)增益放大器5放大，由同步積分 器6進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后輸出兩路高信噪比的脈沖信號(hào)， 一路經(jīng)低門限比較器8和低門限展寬 器10的輸出可提供給數(shù)字信號(hào)處理器ll，用于判別旋轉(zhuǎn)物表面經(jīng)過(guò)探頭上方的渡越時(shí)間； 另一路經(jīng)高門限比較器7和高門限展寬器9的輸出可提供給數(shù)字信號(hào)處理器ll，用于判別 旋轉(zhuǎn)物表面沿弦向的結(jié)冰分布范圍。當(dāng)判斷的結(jié)冰范圍大于設(shè)定值時(shí)，由數(shù)字信號(hào)處理器 11輸出結(jié)冰告警信號(hào)，并通過(guò)由告警繼電器13、告警通訊接口 14和告警指示器15構(gòu)成的 告警電路輸出結(jié)冰告警信號(hào)。 其中，前置放大器4采用低噪聲放大器，并獨(dú)立屏蔽；可調(diào)增益放大器5的增益，由 數(shù)字信號(hào)處理器11根據(jù)低門限比較器8的輸出來(lái)設(shè)定與改變，如果在有限的時(shí)間內(nèi)低門限 比較器8無(wú)高電平輸出，則增加可調(diào)增益放大器5的增益；高門限展寬器9和低門限展寬器 10，均是展寬器，只是其輸入信號(hào)分別來(lái)自高門限比較器7和低門限比較器8的輸出；高、低 門限具體上是兩個(gè)直流電平，當(dāng)同步積分器6輸出脈沖的幅值大于低門限電平時(shí)，低門限 比較器8輸出相同的脈沖，否則低門限比較器8輸出低電平；當(dāng)同步積分器6輸出脈沖的幅 值大于高門限電平時(shí)，高門限比較器7輸出相同的脈沖，否則高門限比較器7輸出低電平； 高門限電平的直流電壓值高于低門限電平的直流電壓值。高門限電平、低門限電平通過(guò)試驗(yàn)確定，設(shè)旋轉(zhuǎn)物未結(jié)冰表面經(jīng)過(guò)激光探頭上空對(duì)應(yīng)同步積分器6輸出脈沖的幅值為VI， 旋轉(zhuǎn)物結(jié)冰表面經(jīng)過(guò)激光探頭上空對(duì)應(yīng)同步積分器6輸出脈沖的幅值為V2，旋轉(zhuǎn)物表面未 經(jīng)過(guò)激光探頭上空對(duì)應(yīng)同步積分器6輸出脈沖的幅值為V3，則高門限電平設(shè)定于VI和V2 之間，低門限電平設(shè)定于V2和V3之間。 圖2為激光探頭結(jié)構(gòu)示意圖，激光探頭包括激光器2、濾光片16、接收光纖束17和 熱保護(hù)組件，激光器2位于激光探頭的中軸，在其周圍平行安裝接收光纖束17，濾光片16固 定在二者頂端，熱保護(hù)組件安裝于激光探頭的外層，熱風(fēng)通過(guò)熱保護(hù)組件引導(dǎo)到濾光片外 表面，可避免激光探頭結(jié)冰。熱保護(hù)組件包括溫度傳感器18、加熱泵22、絕熱襯墊19和熱 保護(hù)罩20，溫度傳感器18嵌入激光探頭的金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)，靠近接收光纖束17外側(cè)，其周圍粘 貼絕熱襯墊19，絕熱襯墊19外圍通熱保護(hù)的空氣，在激光器2、濾光片16、接收光纖束17的 外部安放有防止其溫度過(guò)低而結(jié)冰的熱保護(hù)罩20。激光器2工作波長(zhǎng)為紅外波段，以減少 可見(jiàn)光對(duì)探測(cè)器的干擾，濾光片16的作用是減少非工作波長(zhǎng)的光線透過(guò)，以減少背景光的 影響。發(fā)射光通過(guò)激光器2射向旋翼或旋轉(zhuǎn)物體表面，光電探測(cè)器3通過(guò)接收光纖束17的 引導(dǎo)可以探測(cè)到旋轉(zhuǎn)物體表面反射回的光。同時(shí)，當(dāng)由溫度傳感器18探測(cè)的激光探頭前端 溫度低于某一溫度時(shí)(如10°C )，由溫度控制器21自動(dòng)控制加熱泵22，以加熱空氣并吹過(guò) 激光探頭表面，避免激光探頭表面結(jié)冰。圖3為激光探頭的端面圖，表明發(fā)射激光器2和接 收光纖束17的布置示意圖。 圖4為經(jīng)過(guò)激光探頭上方的旋轉(zhuǎn)物體表面結(jié)冰和非結(jié)冰時(shí)，高門限比較器7和低 門限比較器8的輸出脈沖信號(hào)示意圖。只要旋轉(zhuǎn)物表面經(jīng)過(guò)激光探頭上方，低門限比較器8 的輸出就存在脈沖信號(hào)，否則輸出低電平信號(hào)；只要旋轉(zhuǎn)物表面非結(jié)冰部位經(jīng)過(guò)激光探頭 上方，高門限比較器7的輸出就存在脈沖信號(hào)，否則輸出低電平信號(hào)。 圖5為經(jīng)過(guò)激光探頭上方的旋轉(zhuǎn)物體表面結(jié)冰和非結(jié)冰時(shí)，高門限展寬器9和低 門限展寬器10的輸出信號(hào)示意圖。低門限展寬器10輸出信號(hào)特征為無(wú)論結(jié)冰與否，當(dāng)旋 翼或旋轉(zhuǎn)物體表面經(jīng)過(guò)探頭上方時(shí)，輸出信號(hào)為高電平；當(dāng)旋翼或旋轉(zhuǎn)物體離開探頭上方 時(shí)，輸出信號(hào)為低電平。高門限展寬器9輸出信號(hào)特征為當(dāng)帶有結(jié)冰部位的旋翼或旋轉(zhuǎn)物 體表面經(jīng)過(guò)探頭上方時(shí)，輸出信號(hào)為高電平；當(dāng)帶有結(jié)冰部位的旋翼或旋轉(zhuǎn)物體表面離開 探頭上方時(shí)，輸出信號(hào)為低電平。
權(quán)利要求
旋轉(zhuǎn)物表面非接觸式結(jié)冰探測(cè)器，包括信號(hào)發(fā)生器(12)、激光驅(qū)動(dòng)器(1)、激光探頭、光電探測(cè)器(3)、信號(hào)預(yù)處理單元、高門限比較器(7)、高門限展寬器(9)、低門限比較器(8)、低門限展寬器(10)、信號(hào)處理器(11)和告警電路；信號(hào)發(fā)生器(12)通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)器(1)驅(qū)動(dòng)激光探頭產(chǎn)生射向旋轉(zhuǎn)物表面的激光脈沖，光電探測(cè)器(3)接收旋轉(zhuǎn)物表面返回的光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理單元放大和提高信噪比后，分為兩路一路經(jīng)過(guò)高門限比較器(7)和高門限展寬器(9)到達(dá)信號(hào)處理器(11)，另一路經(jīng)過(guò)經(jīng)低門限比較器(8)和低門限展寬器(10)到達(dá)信號(hào)處理器(11)；信號(hào)處理器(11)依據(jù)這兩路信號(hào)進(jìn)行判別產(chǎn)生結(jié)冰告警信號(hào)并輸出給告警電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)物表面非接觸式結(jié)冰探測(cè)器，其特征在于，所述激光探 頭包括激光器(2)、濾光片(16)、接收光纖束(17)和熱保護(hù)組件，接收光纖束(17)以激光 器(2)為軸心環(huán)繞布置，濾光片(16)位于接收光纖束(17)和激光器(2)的頂端，接收光纖 束(17)的外側(cè)設(shè)有熱保護(hù)組件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)物表面非接觸式結(jié)冰探測(cè)器，其特征在于，所述熱保 護(hù)組件包括溫度傳感器(18)、絕熱襯墊(19)、熱保護(hù)罩(20)、溫度控制器(21)和加熱泵 (22)，溫度傳感器(18)設(shè)在接收光纖束(17)外側(cè)，溫度傳感器(18)周圍粘貼絕熱襯墊 (19)，絕熱襯墊(19)外圍通熱保護(hù)空氣，在激光器(2)、濾光片(16)、接收光纖束(17)的外 部安放有防止其溫度過(guò)低而結(jié)冰的熱保護(hù)罩(20)，溫度傳感器(18)連接溫度控制器(21)， 溫度控制器(21)連接加熱泵(22)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的旋轉(zhuǎn)物表面非接觸式結(jié)冰探測(cè)器，其特征在于，高門 限比較器(7)的門限電平大于V1且小于V2，低門限比較器(8)的門限電平大于V2且小于 V3， VI為旋轉(zhuǎn)物未結(jié)冰表面經(jīng)過(guò)激光探頭上空對(duì)應(yīng)信號(hào)預(yù)處理單元輸出脈沖的幅值，V2為 旋轉(zhuǎn)物結(jié)冰表面經(jīng)過(guò)激光探頭上空對(duì)應(yīng)信號(hào)預(yù)處理單元輸出脈沖的幅值，V3為旋轉(zhuǎn)物表面 未經(jīng)過(guò)激光探頭上空對(duì)應(yīng)信號(hào)預(yù)處理單元輸出脈沖的幅值。
全文摘要
旋轉(zhuǎn)物表面非接觸式結(jié)冰探測(cè)器，信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)激光探頭產(chǎn)生射向旋轉(zhuǎn)物表面的激光脈沖，光電探測(cè)器接收返回的光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和提高信噪比后，分為兩路一路經(jīng)過(guò)高門限比較器和高門限展寬器到達(dá)信號(hào)處理器，用于判別旋轉(zhuǎn)物表面沿弦向的結(jié)冰分布范圍；另一路經(jīng)過(guò)低門限比較器和低門限展寬器到達(dá)信號(hào)處理器，用于判別旋轉(zhuǎn)物表面經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器探頭上方的渡越時(shí)間；信號(hào)處理器依據(jù)兩路信號(hào)的判別結(jié)果產(chǎn)生結(jié)冰告警信號(hào)并輸出給告警電路。本發(fā)明以非接觸方式直接探測(cè)被測(cè)物表面結(jié)冰狀態(tài)和范圍，避免了可動(dòng)部件測(cè)量信號(hào)的傳遞，適用于對(duì)直升機(jī)旋翼及其它旋轉(zhuǎn)物體表面結(jié)冰狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)。
文檔編號(hào)G08B19/02GK101792021SQ201010100530
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月22日
發(fā)明者葉林, 張 杰, 張洪, 葛俊鋒, 鄭英 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)