結(jié)冰信號器原理

結(jié)冰信號器原理感受并傳遞航空器表面結(jié)冰信息的裝置。結(jié)冰信號器系統(tǒng)對結(jié)冰探測有時間上的超前性，從而具有結(jié)冰預警功能；系統(tǒng)還能給出多個結(jié)冰部位的不同結(jié)冰速率(結(jié)冰強度)、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)對飛機結(jié)冰的探測和預警更為及時、準確和可靠，大大提升飛行人員對結(jié)冰危情處置的能力，增強飛機結(jié)冰**防護水平。

結(jié)冰信號器按照安裝部位分類

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

兩類結(jié)冰信號器原理的功能差別

**類結(jié)冰信號器原理的功能主要為探測飛機是否進入結(jié)冰云區(qū)，給出的信息是結(jié)冰信號器(通常是一探測棒)上的結(jié)冰狀況，而非飛機機體上的結(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)冰信號器由于通常具有較高的水滴捕獲能力，故對結(jié)冰探測的及時性較好。但由于結(jié)冰信號器上的結(jié)冰和飛機機體上的結(jié)冰之對應關(guān)系非常復雜，難以從結(jié)冰信號器上的結(jié)冰推測飛機機體上的結(jié)冰狀況，故飛機機體上那些容易結(jié)冰部位是否真的結(jié)冰以及結(jié)冰狀況如何，這類結(jié)冰信號器尚無法確定。這是**類結(jié)冰信號器*大的缺陷。

**類結(jié)冰信號器原理安裝于需要監(jiān)測的結(jié)冰易發(fā)部位，給出的結(jié)冰信息就是飛機機體結(jié)冰部位的結(jié)冰狀態(tài)信息；在加熱系統(tǒng)啟動后，根據(jù)這類結(jié)冰信號器信號的復位情況，還可驗證除冰效果。與**類結(jié)冰信號器相比，**類結(jié)冰信號器給出的信息就更為直接、準確和可靠。在飛機防冰除冰技術(shù)方面，直升機旋翼防冰除冰是一個很獨特的領(lǐng)域翼結(jié)冰的危害 

直升機在結(jié)冰氣象條件下飛行時，大氣中的過冷水滴會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)冰會帶來一些嚴重影響，比如： 
1 改變旋翼槳葉的氣動外形，從而降低直升機的飛行性能，嚴重時導致飛機失控失速，甚至墜毀。 
2 改變旋翼槳葉的質(zhì)量分部，影響旋翼的動力學特性，導致旋翼振動增大，從而使直升機失去控制。 
3 有些冰塊，會從高速旋轉(zhuǎn)的旋翼槳葉上脫落，損壞直升機上的其他部件，影響直升機的飛行**。 
直升機旋翼結(jié)冰引起的飛行事故時有發(fā)生。1980年，一架剛引進的“超黃蜂”直升機在起飛半小時后，因旋翼結(jié)冰而在山東境內(nèi)墜毀。 
旋翼機防除冰技術(shù) 
直升機防冰除冰技術(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。 
飛機防冰除冰技術(shù)種類很多，但旋翼防冰除冰與飛機機翼、機體表面、進氣道和氣動舵面等其他部位相比，有其特殊性，因為旋翼是一個具有大表面積的轉(zhuǎn)動部件，同時向旋翼輸電有技術(shù)困難。因此能應用在旋翼上的防冰除冰技術(shù)從目前來看主要包括電熱防冰除冰技術(shù)，氣熱防冰技術(shù)，氣動帶除冰技術(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)冰信號器原理是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜岵考拇雷o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)、過熱保護裝置，及電加熱元件等組成。選擇開關(guān)有“手動”、“自動”等位置，當位于“自動”位置時，飛機結(jié)冰傳感器感受結(jié)冰電訊號，自動接通或斷開系統(tǒng)電源。過熱保護裝置（包括溫度傳感頭和繼電器）用來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?，對部件表面加熱、除冰?span lang="EN-US"> 
電防冰的加熱方式有連續(xù)加熱和間斷加熱兩種。一般的固定翼飛機采用連續(xù)加熱方式，而直升機旋翼則不同，因為它允許表面有少量結(jié)冰，同時旋翼是轉(zhuǎn)動部件，在旋轉(zhuǎn)時帶動氣流，本身就有冷卻效應，因此對旋翼加熱，耗電功率比給固定翼飛機部件加熱大得多，因此為了節(jié)電，對直升機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)可以分為光學法、熱學法、電學法、機械法、波導法,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、動力機械表面的結(jié)冰探測。飛行器、動力機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,具有較高的測量精度。

但在道路應用方面,路況比較復雜,行駛車輛、瀝青性質(zhì)等都會對傳感器的精度造成巨大的影響,只有電容法、振動法、光學法很少一部分技術(shù)用于路面結(jié)冰探測。

此外,電容和振動傳感技術(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、更換方面的費用較高,壽命也較短。

因此近年來非接觸式傳感技術(shù)尤其是紅外傳感技術(shù)因其安裝維護簡單、測量精度高、抗干擾小等優(yōu)點在道路結(jié)冰探測上得到了一定的應用。

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,光電探測器接收來自路面的反射光,通過微處理器對反射光的解析來判斷路面處于干燥、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,因此也被稱為主動式紅外結(jié)冰傳感技術(shù)。

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

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

當路面是干燥的,反射光主要以散射為主。當路面被水和冰覆蓋時,路面變得光滑,光的散射會逐漸向鏡面反射轉(zhuǎn)變。當路面被雪覆蓋時,反射光仍以散射為主,難以進行檢測,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)研究進展

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

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

瑞典中部大學[5]采用了三種特征波長(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)。

單點近紅外結(jié)冰傳感技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)備成本低,算法簡單等優(yōu)點在國內(nèi)外得到了一定的應用。

我國測試技術(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)檢測預警系統(tǒng),該系統(tǒng)可以準確識別路面覆蓋物的類型,實現(xiàn)了水、冰及雪厚度的計算,已在湖北漢陽高速、連云港汾灌高速以及北京和四川等國內(nèi)多條高速公路上成功應用,路面狀態(tài)檢測準確率達100%。

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

瑞典中部大學[11]采用近紅外成像儀與不同過濾器的配合,對K-近鄰法(KNN)、神經(jīng)網(wǎng)絡法(NN)、支持向量機(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行了比較。

研究表明,在實驗室條件下,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)場試驗中,只有KNN和SVM能較好的分辨路面的不同狀況,但KNN算法相對比較耗時,對于實時監(jiān)測不利。

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,對處理器性能要求較高,耗時比較多,而且設(shè)備費用比較高,目前實際應用較少。

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

中紅外光波長范圍為7~14μm,也被稱為熱紅外。這是因為自然界中的任何物體都可以看作是一個紅外輻射源,當物體表面溫度高于優(yōu)良溫度零度0K時均會發(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就越短。由于物體各個部位溫度不同,輻射率不同,紅外探測設(shè)備接收的溫度信號就會不同,通過分析這些溫度信號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)對測量的影響相對較小。

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

因此紅外傳感器的工作范圍一般是在8~14μm,大氣對它的影響較小。

3.2 中紅外結(jié)冰傳感器技術(shù)研究進展

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

水和冰之間相互轉(zhuǎn)化時會放出大量的熱量,瑞典**理工學院[12]利用這一現(xiàn)象,通過機場現(xiàn)場路面以及實驗室中氣候箱的大量實驗驗證了可以通過紅外溫度儀測定溫度信號來探測瀝青路面的結(jié)冰過程。

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

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

該技術(shù)由于采用相對單一的溫度信號進行路面狀態(tài)監(jiān)測,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、風速等配合,形成道路氣象站,從而進行路面狀態(tài)的區(qū)分。

四、小編總結(jié)

為了提高道路行車**,實時監(jiān)測路面結(jié)冰已成為保障生命財產(chǎn)**、避免交通堵塞的迫切需求。

基于紅外技術(shù)的路面結(jié)冰預警系統(tǒng)因其非接觸式、安裝維護簡單、耐久性強、信號處理簡單等優(yōu)點,在道路結(jié)冰監(jiān)測方面得到了人們越來越大的關(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方面,也可以用于道路氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,為建立大型道路氣象數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)支持,對發(fā)展智慧交通和推動我國道路交通氣象檢測能力具有重大的意義,具有廣闊的應用前景。

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