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结冰传感器原理

日期:2020-09-21 20:20
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摘要:结冰传感器原理结冰传感器的分类方法很多。根据检测机理可将结冰传感器分为:光学式、电学式、机械式等。光学式根据冰、水与空气的光学性质的不同检测结冰。例如:一种典型的光学式结冰传感器为光纤式结冰传感器,是用两根同心结构的光纤,中心圆形为发射光纤,可以发出红外光;外围圆环形为接收光纤,可以接受和检测散射和反射回来的红外光。光纤探头端面是一个平面玻璃,玻璃上没有结冰时,发射光纤发射的红外光全部透光玻璃端面进入空气,接收光纤接收不到任何红外光;当玻璃端面上有结冰时,发射光纤发出的部...
结冰传感器原理
  


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    结冰传感器原理的分类方法很多。根据检测机理可将结冰传感器分为:光学式、电学式、机械式等。光学式根据冰、水与空气的光学性质的不同检测结冰。
例如:一种典型的光学式结冰传感器为光纤式结冰传感器原理,是用两根同心结构的光纤,中心圆形为发射光纤,可以发出红外光;外围圆环形为接收光纤,可以接受和检测散射和反射回来的红外光。光纤探头端面是一个平面玻璃,玻璃上没有结冰时,发射光纤发射的红外光全部透光玻璃端面进入空气,接收光纤接收不到任何红外光;当玻璃端面上有结冰时,发射光纤发出的部分红外光由于被冰层散射和反射而被接收光纤接受。通过检测接收光纤接收到的红外光的强弱,达到检测结冰的目的,如左图所示。
电学式结冰传感器原理是根据冰、空气和水电学性质的不同来检测结冰。
例如:一种典型的电学式结冰传感器为电容式结冰传感器。电容式结冰传感器原理基于冰、空气和水介电常数的不同来判断电极之间的介质是冰、空气还是水。将多组电极对等距排列,每个电极对*为一个结冰检测刻度,总的结冰厚度就等于相邻电极对的距离和介质是冰的电极对的个数的乘积。左图中是公开号为101285673A的中国砖利公布的一种电容比值式结冰传感器。图中:1-矩形金属屏蔽保护外壳;2-单片机;3-双路电容数字转换器;4-基准平行板电容器;5-检测平行板电容器组;6-双路可编程控制的刻度选通电路;绝缘保温密封填充材料,8-接线插座。其中基准平行板电容器电极之间没有结冰。检测平行板电容器的电极极板之间的介质可能是冰,可能是空气。当检测电容极板间是空气时,检测电容和基准电容的电容值之比为1;当检测电容极板间介质是冰时,检测电容和基准电容的电容值之比大于等于2。这样就可以判断任意一个检测电容极板之间的介质是冰还是空气。检测电容组竖直等距排列,检测结冰的厚度就等于相邻检测电容的竖直间距与介质是冰的检测电容的个数的乘积。
机械式结冰传感器是根据冰的机械特性检测结冰。
一种比较典型的机械式结冰传感器是基于压电效应的平膜式结冰传感器。检测原理是:平膜上有结冰时,结冰增大了平膜的刚度,使平膜的谐振频率增大。通过压电陶瓷的压电效应驱动平膜振动在其谐振频率上,通过压电陶瓷的逆压电效应实时监测其谐振频率。
需要注意的是,并非所有的电容式结冰传感器都是属于电学式的,有的是属于机械式的。
例如:美国NASA曾提出过一种微加工工艺制作的电容式结冰传感器,敏感结构是一个7微米厚度薄膜,整个薄膜为扩散硅层,作为电容的公共电极。用静电键合工艺将薄膜和一个有HF腐蚀的凹槽的pyrex玻璃键合到一起,将凹槽封闭为电容间隙。凹槽里有两个同心的方形电极,中心正方形的为驱动电极,外围回字形的为检测电极。驱动电极和公共电极之间加静电,平膜变形。检测电极和公共电极之间的电容称为检测电容。平膜上有结冰时,结冰增大了平膜刚度,使平膜变形量减小,检测电容两电极之间的距离增大,检测电容减小。通过检测电容的减小量来确定结冰厚度。

根据结冰传感器的安装方式,可将结冰传感器分为扁平安装结冰传感器和非扁平安装结冰传感器。扁平安装就是结冰传感器安装到被测物表面后,结冰检测面和物体表面平齐,这样传感器表面和物体表面的环境因素相同,可以更准确地感知物体表面结冰情况。非扁平安装结冰传感器安装后检测面和物体表面不平齐,表现为一个突出物。显然突出物表面与物体表面会有很大差异,如物体表面的层流流体到突出物处就有可能形成局部湍流。结冰传感器和被测物体表面环境因素不同,会造成结冰情况的不同,结冰传感器检测到的结冰就有可能不由物体表面一致。

结冰传感器的分类方法还有很多,这里就不再一一列举。

结冰传感器的检测性能

 
衡量结冰传感器检测性能的参数主要有:分辨率、灵敏度、温度系数、准确度、**度等。
分辨率是指结冰传感器能够感知的*小结冰厚度。
灵敏度是指结冰厚度变化与结冰传感器输出变化的比值。
温度系数是指没有结冰信号时,结冰传感器的输出变化与温度变化的比值。
准确度是指用结冰传感器对同一结冰厚度进行检测,得到一系列数据,这一系列数据的中心点与实际结冰厚度的接近程度。

**度是指上述一系列数据点相对于其中心点的分散程度。

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