结冰信号器原理

结冰信号器原理

结冰信号器原理感受并传递航空器表面结冰信息的装置。结冰信号器系统对结冰探测有时间上的超前性，从而具有结冰预警功能；系统还能给出多个结冰部位的不同结冰速率(结冰强度)、优良结冰厚度(结冰程度)等信息，使关于结冰状况的信息更为具体和**；系统还能给出除冰效果信息等。总之，系统对飞机结冰的探测和预警更为及时、准确和可靠，大大提升飞行人员对结冰危情处置的能力，增强飞机结冰**防护水平。

结冰信号器按照安装部位分类

结冰信号器按工作原理分类，结冰信号器有多种，但按照在飞机上安装的部位分类，大体上有两类：一类是结冰信号器外伸于飞机机体之外，如通常在机头某一外侧安装的结冰信号器，以及供飞行人员目视的结冰探测棒等，这称之为**类结冰信号器。另一类是安装于那些容易结冰的部位，如机翼、尾翼前缘，发动机进气道，直升机旋翼等，这称之为**类结冰信号器。通常会要求这类结冰信号器体积小、重量轻，且可齐平保形安装，以减小结冰信号器对所安装部位气动外形的影响。

两类结冰信号器原理的功能差别

**类结冰信号器原理的功能主要为探测飞机是否进入结冰云区，给出的信息是结冰信号器(通常是一探测棒)上的结冰状况，而非飞机机体上的结冰状况。此信息提醒驾驶人员，要开启除冰、防冰系统，并采取正确的飞行操纵。这类结冰信号器由于通常具有较高的水滴捕获能力，故对结冰探测的及时性较好。但由于结冰信号器上的结冰和飞机机体上的结冰之对应关系非常复杂，难以从结冰信号器上的结冰推测飞机机体上的结冰状况，故飞机机体上那些容易结冰部位是否真的结冰以及结冰状况如何，这类结冰信号器尚无法确定。这是**类结冰信号器*大的缺陷。

**类结冰信号器原理安装于需要监测的结冰易发部位，给出的结冰信息就是飞机机体结冰部位的结冰状态信息；在加热系统启动后，根据这类结冰信号器信号的复位情况，还可验证除冰效果。与**类结冰信号器相比，**类结冰信号器给出的信息就更为直接、准确和可靠。在飞机防冰除冰技术方面，直升机旋翼防冰除冰是一个很独特的领域翼结冰的危害 

直升机在结冰气象条件下飞行时，大气中的过冷水滴会迅速聚集在高速旋转的旋翼桨叶前缘并凝结成冰，旋翼桨叶结冰会带来一些严重影响，比如： 
1 改变旋翼桨叶的气动外形，从而降低直升机的飞行性能，严重时导致飞机失控失速，甚至坠毁。 
2 改变旋翼桨叶的质量分部，影响旋翼的动力学特性，导致旋翼振动增大，从而使直升机失去控制。 
3 有些冰块，会从高速旋转的旋翼桨叶上脱落，损坏直升机上的其他部件，影响直升机的飞行**。 
直升机旋翼结冰引起的飞行事故时有发生。1980年，一架刚引进的“超黄蜂”直升机在起飞半小时后，因旋翼结冰而在山东境内坠毁。 
旋翼机防除冰技术 
直升机防冰除冰技术的目的之一，是采取措施使得过冷水滴不能在旋翼桨叶上凝结成冰，这叫防冰。之二是除冰措施，在除冰过程中允许结一定厚度的冰，然后除冰。 
飞机防冰除冰技术种类很多，但旋翼防冰除冰与飞机机翼、机体表面、进气道和气动舵面等其他部位相比，有其特殊性，因为旋翼是一个具有大表面积的转动部件，同时向旋翼输电有技术困难。因此能应用在旋翼上的防冰除冰技术从目前来看主要包括电热防冰除冰技术，气热防冰技术，气动带除冰技术和液体防冰技术。 
电热防冰除冰技术 
该技术的结冰信号器原理是将电能转变为热能，加热部件的待防护表面，使其不结冰。电热防冰系统一般由电源、选择开关、过热保护装置，及电加热元件等组成。选择开关有“手动”、“自动”等位置，当位于“自动”位置时，飞机结冰传感器感受结冰电讯号，自动接通或断开系统电源。过热保护装置（包括温度传感头和继电器）用来防止部件表面蒙皮过热而变形。电加热元件将电能转变为热能，对部件表面加热、除冰。 
电防冰的加热方式有连续加热和间断加热两种。一般的固定翼飞机采用连续加热方式，而直升机旋翼则不同，因为它允许表面有少量结冰，同时旋翼是转动部件，在旋转时带动气流，本身就有冷却效应，因此对旋翼加热，耗电功率比给固定翼飞机部件加热大得多，因此为了节电，对直升机旋翼一般采用周期加热的方式。 

依据传感器不同的工作原理,结冰传感技术可以分为光学法、热学法、电学法、机械法、波导法,具体分类如表1[3-4]所示。

表1所列结冰传感器技术主要用于飞行器、动力机械表面的结冰探测。飞行器、动力机械表面基本只受到环境因素的影响,受其他因素的影响较少,具有较高的测量精度。

但在道路应用方面,路况比较复杂,行驶车辆、沥青性质等都会对传感器的精度造成巨大的影响,只有电容法、振动法、光学法很少一部分技术用于路面结冰探测。

此外,电容和振动传感技术属于接触式传感技术,传感器需要埋设在路基下,传感器在安装、维护、更换方面的费用较高,寿命也较短。

因此近年来非接触式传感技术尤其是红外传感技术因其安装维护简单、测量精度高、抗干扰小等优点在道路结冰探测上得到了一定的应用。

红外结冰传感技术主要分为近红外结冰传感技术和中红外结冰传感技术。

二、近红外结冰传感器技术

2.1 近红外结冰传感器技术原理

近红外光波长范围为0.75~3μm,也被称为反射红外。近红外结冰传感技术的工作原理如图2所示。

近红外光源发射近红外光到路面,光电探测器接收来自路面的反射光,通过微处理器对反射光的解析来判断路面处于干燥、水面、冰面或雪面。

由于近红外结冰传感系统需要近红外光源提供红外光,因此也被称为主动式红外结冰传感技术。

该技术能实现路面结冰检测的原因在于当近红外光以一定角度照射到道路表面时,反射光的性质会发生明显改变。

反射光的性质改变主要有两个方面,一方面是取决于表面材料,如沥青、水、冰、雪对红外光波长的吸收不同;另一方面取决于表面粗糙度,它会影响光的散射方式。

当路面是干燥的,反射光主要以散射为主。当路面被水和冰覆盖时,路面变得光滑,光的散射会逐渐向镜面反射转变。当路面被雪覆盖时,反射光仍以散射为主,难以进行检测,这是由于雪是一种良好的散射体。

2.2 近红外结冰传感器技术研究进展

按照探测面积的不同,近红外结冰传感技术可以分为单点近红外结冰传感技术和近红外成像结冰传感技术。

单点近红外结冰传感技术由于单一特征反射波长不能较好区分路面的干、湿、冰、雪状态,因此需要使用多个特征波长或波长带进行路面状态的区分。

瑞典中部大学[5]采用了三种特征波长(960nm、1550nm和1950nm)以及数据群集的方法,很好的区分了路面的各种状态。

单点近红外结冰传感技术因其结构简单,设备成本低,算法简单等优点在国内外得到了一定的应用。

我国测试技术研究院[10]基于这一技术自主研发了一套非接触式遥感路面状态检测预警系统,该系统可以准确识别路面覆盖物的类型,实现了水、冰及雪厚度的计算,已在湖北汉阳高速、连云港汾灌高速以及北京和四川等国内多条高速公路上成功应用,路面状态检测准确率达100%。

单点近红外结冰传感技术可以**的区分路面的不同状态,但该技术存在路面检测范围小,车辙和车辙之间的不同路面状态可能存在误报情况等缺点。近红外成像结冰传感技术可以有效的解决测量范围小的问题,该技术的核心在于合适的图像处理算法。

瑞典中部大学[11]采用近红外成像仪与不同过滤器的配合,对K-近邻法(KNN)、神经网络法(NN)、支持向量机(SVM)、判别分析法(DA)、偏*小二乘法(PLS)以及*短距离算法这六种图像处理算法进行了比较。

研究表明,在实验室条件下,除*短距离算法外,其他都有94%以上的路面状况分辨率。在路面现场试验中,只有KNN和SVM能较好的分辨路面的不同状况,但KNN算法相对比较耗时,对于实时监测不利。

近红外成像结冰传感技术虽然可以很好的分辨路面的不同状况,但需要依靠合适的图像处理算法,对处理器性能要求较高,耗时比较多,而且设备费用比较高,目前实际应用较少。

三、中红外结冰传感器技术

3.1 中红外结冰传感器技术原理

中红外光波长范围为7~14μm,也被称为热红外。这是因为自然界中的任何物体都可以看作是一个红外辐射源,当物体表面温度高于优良温度零度0K时均会发生热辐射,其热辐射产生的光谱主要是位于红外波段。

物体辐射的红外线能量大小与物体的温度以及物体表面性质有关,满足斯特藩-玻尔兹曼定律R=εσT4,其中:R为辐射量(W·m-2),ε为辐射系数,σ为玻尔兹曼常数(5.67×10-8W·m-2·K-4),T为优良温度(K)。

物体表面温度越高,物体辐射的红外线波长就越短。由于物体各个部位温度不同,辐射率不同,红外探测设备接收的温度信号就会不同,通过分析这些温度信号的改变就可以判断表面的情况。

中红外结冰传感器技术主要受表面辐射系数、大气条件和温度的影响。辐射系数的影响主要在于表面材料的不同,导致材料的辐射能力不同。

然而干燥沥青路面的辐射系数在0.93到0.95之间,水面的辐射系数在0.93左右,冰面的辐射系数在0.97到0.98之间。因此即使气候发生改变,表面辐射系数对测量的影响相对较小。

大气条件对测量的影响主要在于空气中水汽和二氧化碳对红外线的吸收。图3为大气中水汽对红外线的吸收情况,从图中可以看出3~4μm,4.5~5μm,8~14μm这三个区间水蒸气对红外光的吸收很少。

因此红外传感器的工作范围一般是在8~14μm,大气对它的影响较小。

3.2 中红外结冰传感器技术研究进展

中红外结冰传感技术的核心在于红外测温,通过温度信号的变化来判断路面状况。

水和冰之间相互转化时会放出大量的热量,瑞典**理工学院[12]利用这一现象,通过机场现场路面以及实验室中气候箱的大量实验验证了可以通过红外温度仪测定温度信号来探测沥青路面的结冰过程。

然而该方法不能测定白霜或者由雪压实产生的冰面,也不能判断冰在路面上的存活时间。

瑞典中部大学[13]在红外测温仪的基础上,做了部分红外热成像实验,结果表明在一定程度上可以通过温度信号来区分路面的不同状况,但分辨率不高。

该技术由于采用相对单一的温度信号进行路面状态监测,在很大程度上都有一定的限制。因此,该技术主要是通过与路面其它一些参数如湿度、风速等配合,形成道路气象站,从而进行路面状态的区分。

四、小编总结

为了提高道路行车**,实时监测路面结冰已成为保障生命财产**、避免交通堵塞的迫切需求。

基于红外技术的路面结冰预警系统因其非接触式、安装维护简单、耐久性强、信号处理简单等优点,在道路结冰监测方面得到了人们越来越大的关注和研究。

此外,该系统收集的路面路况数据不仅可以用于道路维护方面,也可以用于道路气象数据的统计,为建立大型道路气象数据库提供数据支持,对发展智慧交通和推动我国道路交通气象检测能力具有重大的意义,具有广阔的应用前景。

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