結冰感測器

結冰感測器是一種檢測飛機、輸電線、建築等物體表面結冰厚度的感測器，通過結冰感測器可以將結冰信號轉換為可以直接檢測的電學信號。

基本介紹

• 中文名：結冰感測器
• 外文名：freezing transducer
• 分類：電學式等
• 作用：檢測飛機、輸電線
• 方式：結冰信號轉換為電學信號

分類

結冰感測器的分類方法很多。根據檢測機理可將結冰感測器分為：光學式、電學式、機械式等。光學式根據冰、水與空氣的光學性質的不同檢測結冰。

例如：一種典型的光學式結冰感測器為光纖式結冰感測器，是用兩根同心結構的光纖，中心圓形為發射光纖，可以發出紅外光；外圍圓環形為接收光纖，可以接受和檢測散射和反射回來的紅外光。光纖探頭端面是一個平面玻璃，玻璃上沒有結冰時，發射光纖發射的紅外光全部透光玻璃端面進入空氣，接收光纖接收不到任何紅外光；當玻璃端面上有結冰時，發射光纖發出的部分紅外光由於被冰層散射和反射而被接收光纖接受。通過檢測接收光纖接收到的紅外光的強弱，達到檢測結凍的目的，如左圖所示。

光纖式結冰感測器

電學式結冰感測器是根據冰、空氣和水電學性質的不同來檢測結冰。

例如：一種典型的電學式結冰感測器為電容式結冰感測器。電容式結冰感測器基於冰、空氣和水介電常數的不同來判斷電極之間的介質是冰、空氣還是水。將多組電極對等距排列，每個電極對最為一個結冰檢測刻度，總的結冰厚度就等於相鄰電極對的距離和介質是凍的電極對的個數的乘積。左圖中是公開號為101285673A的中國專利公布的一種電容比值式結冰感測器。圖中：1-矩形金屬禁止保護外殼；2-單片機；3-雙路電容數字轉換器；4-基準平行板電容器；5-檢測平行板電容器組；6-雙路可程式控制的刻度選通電路；絕緣保溫密封填充材料，8-接線插座。其中基準平行板電容器電極之間沒有結冰。檢測平行板電容器的電極極板之間的介質可能是冰，可能是空氣。當檢測電容極板間是空氣時，檢測電容和基準電容的電容值之比為1；當檢測電容極板間介質是冰時，檢測電容和基準電容的電容值之比大於等於2。這樣就可以判斷任意一個檢測電容極板之間的介質是冰還是空氣。檢測電容組豎直等距排列，檢測結凍的厚度就等於相鄰檢測電容的豎直間距與介質是凍的檢測電容的個數的乘積。

電容比值式結冰感測器

機械式結冰感測器是根據凍的機械特性檢測結冰。

一種比較典型的機械式結冰感測器是基於壓電效應的平膜式結冰感測器。檢測原理是：平膜上有結冰時，結冰增大了平膜的剛度，使平膜的諧振頻率增大。通過壓電陶瓷的壓電效應驅動平膜振動在其諧振頻率上，通過壓電陶瓷的逆壓電效應實時監測其諧振頻率。

壓電平膜式結冰感測器

需要注意的是，並非所有的電容式結冰感測器都是屬於電學式的，有的是屬於機械式的。

例如：美國NASA曾提出過一種微加工工藝製作的電容式結冰感測器，敏感結構是一個7微米厚度薄膜，整個薄膜為擴散矽層，作為電容的公共電極。用靜電鍵合工藝將薄膜和一個有HF腐蝕的凹槽的pyrex玻璃鍵合到一起，將凹槽封閉為電容間隙。凹槽里有兩個同心的方形電極，中心正方形的為驅動電極，外圍回字形的為檢測電極。驅動電極和公共電極之間加靜電，平膜變形。檢測電極和公共電極之間的電容稱為檢測電容。平膜上有結冰時，結冰增大了平膜剛度，使平膜變形量減小，檢測電容兩電極之間的距離增大，檢測電容減小。通過檢測電容的減小量來確定結冰厚度。

MEMS電容式結冰感測器

根據結冰感測器的安裝方式，可將結冰感測器分為扁平安裝結冰感測器和非扁平安裝結冰感測器。扁平安裝就是結冰感測器安裝到被測物表面後，結冰檢測面和物體表面平齊，這樣感測器表面和物體表面的環境因素相同，可以更準確地感知物體表面結冰情況。非扁平安裝結冰感測器安裝後檢測面和物體表面不平齊，表現為一個突出物。顯然突出物表面與物體表面會有很大差異，如物體表面的層流流體到突出物處就有可能形成局部湍流。結冰感測器和被測物體表面環境因素不同，會造成結冰情況的不同，結冰感測器檢測到的結冰就有可能不由物體表面一致。

結冰感測器的分類方法還有很多，這裡就不再一一列舉。

檢測性能

衡量結冰感測器檢測性能的參數主要有：解析度、靈敏度、溫度係數、準確度、精確度等。

解析度是指結冰感測器能夠感知的最小結冰厚度。

靈敏度是指結冰厚度變化與結冰感測器輸出變化的比值。

溫度係數是指沒有結冰信號時，結冰感測器的輸出變化與溫度變化的比值。

準確度是指用結冰感測器對同一結冰厚度進行檢測，得到一系列數據，這一系列數據的中心點與實際結冰厚度的接近程度。

精確度是指上述一系列數據點相對於其中心點的分散程度。