基于電容頻率掃描法的機(jī)翼結(jié)冰實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)

李澤軍,杜振宇,李子寅,辛 雍,張 琳,鄧 霄

(1.太原理工大學(xué)光電工程學(xué)院,山西太原 030024;2.航空工業(yè)太原航空儀表有限公司,山西太原 030006;3.太原理工大學(xué)建筑學(xué)院,山西太原 030024;4.太原理工大學(xué)物理學(xué)院,山西太原 030024)

0 引言

在影響飛行安全的因素中,飛機(jī)結(jié)冰問(wèn)題一直以來(lái)受到國(guó)內(nèi)外航空界的廣泛關(guān)注。結(jié)冰通常發(fā)生在飛機(jī)穿越含有過(guò)冷水滴云雨層的情況下,當(dāng)機(jī)翼表面結(jié)冰時(shí),會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)操控性和穩(wěn)定性下降,對(duì)飛行安全造成嚴(yán)重威脅[1]。結(jié)冰對(duì)于通用航空領(lǐng)域的小型飛機(jī)影響更明顯,對(duì)于其結(jié)冰狀況的預(yù)警要求也更嚴(yán)苛。因此,設(shè)計(jì)一種能夠檢測(cè)薄冰厚度并帶有相應(yīng)除冰裝置的機(jī)翼結(jié)冰實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)是小型飛機(jī)飛行安全的必要保障。

目前應(yīng)用于飛機(jī)的結(jié)冰探測(cè)器多以接觸式探測(cè)為主,接觸式探測(cè)包括基于超聲導(dǎo)波[2-4]、光纖[5-8]、諧振[9-10]、阻抗[11]、電容[12]等參量的方法。經(jīng)過(guò)多年不斷發(fā)展和完善,基于諧振方法的磁致伸縮傳感器已在大型飛機(jī)中廣泛應(yīng)用。近年來(lái),隨著小型飛機(jī)數(shù)量的快速增加,結(jié)冰探測(cè)應(yīng)用更加關(guān)注探測(cè)器在薄冰厚度檢測(cè)方面的精確測(cè)量,而基于平面電極的探測(cè)方法在該方面逐漸表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)[13]。平面電極探測(cè)方法是將介質(zhì)作為傳感器耦合電容的一部分,通過(guò)介電常數(shù)等參數(shù)變化,對(duì)傳感器表面介質(zhì)變化情況進(jìn)行反映的一種方法[14-16]。目前,基于平面電極的探測(cè)方法多以阻抗和電容參數(shù)對(duì)結(jié)冰狀況進(jìn)行表征,如Flatscher等使用阻抗譜測(cè)量冰的復(fù)介電材料特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰積聚現(xiàn)象的檢測(cè)[17],Y.Shen等通過(guò)電容傳感方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)霜凍生長(zhǎng)過(guò)程中孔隙率的實(shí)時(shí)檢測(cè)[18]。更復(fù)雜的探測(cè)方法通過(guò)結(jié)合2種參數(shù)的測(cè)量方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)薄冰的探測(cè),如Felsberger利用電容和阻抗譜設(shè)計(jì)了能夠區(qū)分水和冰的低功耗無(wú)線傳感器[19],D.Zheng等依據(jù)雙參量特性結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰型的分類和冰厚的預(yù)測(cè)[20]。

在此類測(cè)量方法中,阻抗常通過(guò)對(duì)其頻譜特性的分析用于水到冰相變過(guò)程的檢測(cè),而電容用來(lái)彌補(bǔ)阻抗譜在冰厚測(cè)量上分辨率不足的問(wèn)題,這使得所測(cè)電容只是對(duì)特定頻率下某種結(jié)冰狀態(tài)的反映,對(duì)于由溫度引起的介電常數(shù)變化容易在冰厚檢測(cè)上造成誤判,不同參數(shù)的采集也增加了探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。相關(guān)研究對(duì)不同結(jié)冰探測(cè)方法的潛在能力進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果表明了電容式探測(cè)方法相比于阻抗式探測(cè)方法在系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、測(cè)量范圍和硬件復(fù)雜度方面的優(yōu)勢(shì)[21]。因此,在較寬頻譜范圍內(nèi)對(duì)薄冰電容特性進(jìn)行測(cè)量,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在較高分辨率情況下對(duì)冰厚的預(yù)測(cè),而且能夠更全面反映不同介電特性下的薄冰狀態(tài)。目前電容式結(jié)冰探測(cè)方法除探測(cè)頻率固定外,其厚度回歸過(guò)程滯后,并不能依據(jù)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出結(jié)冰厚度,且探測(cè)器本身由于不具備除冰功能,在持續(xù)結(jié)冰環(huán)境下不能保持重復(fù)性探測(cè)能力。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)一種基于電容頻率掃描法的薄冰實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng),通過(guò)構(gòu)建探-除冰一體的平面電極傳感器對(duì)薄冰電容特性進(jìn)行頻率掃描,搭建數(shù)據(jù)采集電路并通過(guò)全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)薄冰厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)輸出。選取高導(dǎo)熱氧化鋁材料作為傳感器基板材質(zhì),對(duì)達(dá)到厚度閾值的薄冰開(kāi)啟電熱除冰功能,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)新一輪結(jié)冰狀態(tài)的重新探測(cè)。

1 檢測(cè)原理與傳感單元設(shè)計(jì)

冰晶中質(zhì)子排列的特殊性使得冰分子在外加電場(chǎng)的作用下可以發(fā)生重定向[22],從而產(chǎn)生極化現(xiàn)象,相應(yīng)表現(xiàn)為冰的介電特性發(fā)生變化。對(duì)于水和冰的介電常數(shù)頻譜研究表明,隨激勵(lì)頻率的變化,兩者的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)出現(xiàn)顯著差異,這種變化特性可宏觀反映為介質(zhì)本身的電容變化,通過(guò)檢測(cè)該變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)水和冰的檢測(cè)與區(qū)分[19]。相比于傳統(tǒng)平行板電容器,平面電極是將發(fā)射極與接收極打開(kāi)至共面狀態(tài),兩極之間的電場(chǎng)線也隨之形成邊緣電場(chǎng)。當(dāng)電極表面有薄冰生成時(shí),兩極之間的電場(chǎng)線會(huì)穿透被測(cè)介質(zhì),由于冰的介電特性,發(fā)射極與接收極之間的極間電容會(huì)隨之改變。

極間電容與被測(cè)介質(zhì)之間關(guān)系如式(1)所示[23]:

(1)

式中:ε(s)為平面電極傳感器探測(cè)端面上介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);V為極間電勢(shì)差,V;φ(s)為空間電勢(shì)分布,V/m;Γ為極板表面積,m2。

在傳感器結(jié)構(gòu)確定的情況下,極間電容與ε(s)有密切關(guān)系。隨著冰層的不斷增長(zhǎng),在傳感器穿透深度以內(nèi)的冰與空氣比例將會(huì)不斷變大,由于冰的介電常數(shù)大于空氣的介電常數(shù),因此電場(chǎng)中的復(fù)合介電常數(shù)ε(s)是呈增加趨勢(shì)的,通過(guò)檢測(cè)電場(chǎng)中對(duì)應(yīng)薄冰的電容變化可表征當(dāng)前冰層厚度變化。

在復(fù)雜大氣環(huán)境下,結(jié)冰過(guò)程中冰層內(nèi)混入不同比例的空氣會(huì)導(dǎo)致生成不同孔隙率結(jié)構(gòu)的薄冰。根據(jù)Maxwell-Garnett理論,多組分混合物的介電常數(shù)與其每個(gè)組分的介電常數(shù)和所占體積比例有關(guān)[24]。孔隙率的差異使得不同厚度下的薄冰可能具有相同的介電常數(shù),而介電常數(shù)的溫度依賴性又使得同一激勵(lì)頻率下厚度不同的薄冰在溫度變化過(guò)程中的電容測(cè)量值有可能相同,從而在厚度測(cè)量上發(fā)生誤判[17]。因此,使用頻率掃描的方法對(duì)薄冰在不同頻率下的電容值進(jìn)行測(cè)量,以便從更大頻率尺度上對(duì)薄冰特征進(jìn)行反映,從而實(shí)現(xiàn)冰層厚度的有效區(qū)分。

由于傳感器在結(jié)冰后需及時(shí)除冰以便進(jìn)行新一輪次的檢測(cè),最終設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。傳感器大小為110 mm×60 mm×1.6 mm,下層為聚酰亞胺(Polyimide,PI)加熱膜,通過(guò)高導(dǎo)熱硅膠與傳感器背板粘連,上層為平面電極基板,以氧化鋁材質(zhì)作為主要成分,機(jī)械強(qiáng)度滿足實(shí)際使用需求,能夠更快速傳遞來(lái)自傳感器背板加熱裝置的熱量,極板表面布設(shè)多對(duì)傳感電極進(jìn)行薄冰探測(cè),中心處放置高精度測(cè)溫鉑電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)冰溫測(cè)量。實(shí)際飛行條件下傳感器的部署位置如圖1(b)所示,極板齊平安裝于機(jī)翼表面,不會(huì)對(duì)流過(guò)機(jī)身的高速氣流產(chǎn)生擾動(dòng)。

(a)傳感器結(jié)構(gòu)

(b)傳感器實(shí)際部署位置

2 系統(tǒng)搭建與實(shí)驗(yàn)方案

探測(cè)系統(tǒng)由傳感器、電熱除冰裝置、數(shù)據(jù)采集控制電路和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算單元組成。使用低溫交變?cè)囼?yàn)箱模擬傳感器結(jié)冰時(shí)的外部環(huán)境,搭建探測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。傳感器數(shù)據(jù)采集電纜和加熱除冰電纜通過(guò)箱體側(cè)壁接線孔引出至外部數(shù)據(jù)采集控制電路,使用STM32作為主控芯片,通過(guò)SPI協(xié)議與電容測(cè)量芯片AD5941和溫度測(cè)量芯片MAX31865進(jìn)行通信,將采集數(shù)據(jù)通過(guò)RS485接口以串行數(shù)據(jù)格式發(fā)送至下一代計(jì)算設(shè)備(next unit of computing,NUC)中進(jìn)行厚度計(jì)算。預(yù)測(cè)厚度由I2C協(xié)議發(fā)送至外接屏幕進(jìn)行冰厚顯示,加熱電源用于傳感器除冰時(shí)為加熱膜提供恒定加熱功率。

系統(tǒng)工作流程如圖3所示。當(dāng)傳感器表面結(jié)冰,鉑電阻將檢測(cè)到明顯的溫度變化,在溫度達(dá)到設(shè)定的檢測(cè)區(qū)間后,微控制器會(huì)啟動(dòng)電容頻掃單元對(duì)傳感器表面薄冰特性進(jìn)行測(cè)量,將采集的頻率、電容和溫度數(shù)據(jù)作為全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征輸入,經(jīng)過(guò)隱藏層對(duì)數(shù)據(jù)的抽象和劃分后,最終輸出對(duì)應(yīng)特征的冰厚并回傳至微控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接示意圖

圖3 系統(tǒng)工作流程示意圖

當(dāng)微控制器檢測(cè)到厚度達(dá)到薄冰閾值,會(huì)及時(shí)打開(kāi)加熱裝置的MOS管開(kāi)關(guān)電路,此時(shí)加熱電源與PI加熱膜將導(dǎo)通并將熱量傳導(dǎo)至表面薄冰進(jìn)行持續(xù)升溫,鉑電阻在加熱過(guò)程中實(shí)時(shí)反饋薄冰溫度,微控制器在判斷出溫度達(dá)到冰層相變點(diǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加熱裝置,在實(shí)際高空飛行時(shí),融化的薄冰將在高速氣流的帶動(dòng)下脫離傳感器表面。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 測(cè)量方法準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證傳感器所測(cè)量薄冰的電容準(zhǔn)確性,依據(jù)實(shí)際采集的電容數(shù)值區(qū)間,選取不同量級(jí)下的6組標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)石電容,容值分別為10、20、30、100、200、300 pF,使用KEYSIGHT E49B0A LCR表在100 kHz下分別測(cè)量不同標(biāo)準(zhǔn)電容的實(shí)際容值,每組標(biāo)準(zhǔn)電容均多次測(cè)量取平均值。

使用采集電路的電容測(cè)量芯片AD5941在同樣條件下對(duì)各組電容進(jìn)行測(cè)量并與LCR表所測(cè)數(shù)值進(jìn)行比較,測(cè)量結(jié)果如圖4所示。可見(jiàn),由AD5941采集的電容值與通過(guò)LCR表采集的電容值基本一致,測(cè)量結(jié)果有較好的線性度。2種測(cè)量方法下的誤差如表1所示,可以看到,在10 pF時(shí)的測(cè)量誤差最小(0.05 pF),在整個(gè)測(cè)量范圍中的占比為0.01%,在300 pF時(shí)的測(cè)量誤差最大(5.84 pF),在整個(gè)測(cè)量范圍中的占比為1.7%。

圖4 AD5941測(cè)量準(zhǔn)確性驗(yàn)證

表1 AD5941與LCR表電容測(cè)量誤差 pF

3.2 薄冰電容頻掃分析

選取1～100 kHz的頻率范圍作為電容頻率掃描區(qū)間,以2 mm冰厚作為薄冰增長(zhǎng)閾值,通過(guò)涂覆低溫水層的方式實(shí)現(xiàn)薄冰的增長(zhǎng)。溫度測(cè)量區(qū)間為-16～-25 ℃,測(cè)量區(qū)間內(nèi)積冰溫度每變化1 ℃,對(duì)其進(jìn)行一次電容頻率掃描并記錄對(duì)應(yīng)的冰溫和厚度。測(cè)量結(jié)果如圖5(a)所示,在傳感器表面未結(jié)冰時(shí)(厚度0 mm),不同溫度下的電容頻率掃描結(jié)果基本不變,電容約為13 pF。當(dāng)傳感器檢測(cè)面第1次結(jié)冰時(shí)(厚度0.237 mm),頻率掃描所得到的電容相比未結(jié)冰時(shí)的數(shù)據(jù)發(fā)生了大幅度變化,在1 kHz頻率下的變化幅度約為100 pF,掃描結(jié)果整體呈指數(shù)下降趨勢(shì)。隨著厚度不斷增加,感應(yīng)電場(chǎng)中復(fù)合介電常數(shù)增大,電容值逐漸增大,頻率掃描曲線也逐漸上移,不同厚度下的曲線之間有較明顯的區(qū)分。圖5(b)為厚度在2 mm下的電容頻率掃描曲線,可見(jiàn)在厚度不變時(shí),不同溫度下的頻率掃描結(jié)果整體趨勢(shì)一致,由于冰的介電常數(shù)溫度特性,隨著溫度降低,電容測(cè)量結(jié)果小幅度衰減,曲線整體下移,偏移量隨頻率增加略有增大。

(a)0～2 mm冰厚電容頻率掃描結(jié)果

(b)2 mm冰厚下不同溫度電容頻率特性

上述分析表明,在0～2 mm冰厚增長(zhǎng)過(guò)程中,電容測(cè)量值隨冰厚增長(zhǎng)逐步增大,而不同厚度的頻率掃描結(jié)果在23.357 kHz下的區(qū)分度最大,故以該頻率下薄冰厚度增長(zhǎng)過(guò)程中的電容響應(yīng)為例對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。如圖6所示,不同溫度下電容隨厚度增長(zhǎng)的響應(yīng)曲線整體呈對(duì)數(shù)上升趨勢(shì),增長(zhǎng)速率在厚度逼近2 mm過(guò)程中逐漸變緩,表明薄冰厚度在逐漸逼近傳感器的穿透深度[25]。傳感器在達(dá)到結(jié)冰閾值2 mm時(shí)電容從13 pF變化到最大251 pF,動(dòng)態(tài)范圍約為240 pF,相比于傳統(tǒng)FR4材質(zhì)傳感器采用FDC2214芯片所讀取到約10 pF的電容變化,其動(dòng)態(tài)范圍提升了約24倍,對(duì)于薄冰厚度的微小變化表現(xiàn)出更高的靈敏度[20]。

圖6 23.357 kHz下的薄冰增長(zhǎng)過(guò)程中的電容變化

圖7為頻率23.357 kHz下不同厚度的電容溫度特性曲線。在傳感器未結(jié)冰時(shí),測(cè)量結(jié)果不受溫度特性影響,空板電容值基本不變。其余厚度下的電容值隨溫度下降均有著較好的線性度,低溫條件下的電容響應(yīng)整體低于溫度較高時(shí)的電容響應(yīng)。同一厚度下,在-16～-20 ℃區(qū)間內(nèi),電容溫度特性變化率約為2 pF/℃,在-20～-25 ℃區(qū)間內(nèi),電容溫度特性變化率約為1 pF/℃。不同厚度下的電容曲線有明顯的區(qū)分,傳感器的分辨率可達(dá)到0.1 mm。由于同一厚度在頻率掃描下對(duì)應(yīng)多組不同的電容與溫度組合,對(duì)所有厚度下的電容回歸模型使用同一個(gè)溫度校正函數(shù)將會(huì)產(chǎn)生非常大的誤差,而實(shí)踐中對(duì)每個(gè)厚度使用單獨(dú)的溫度校正復(fù)雜,因此選用全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)薄冰厚度的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

圖7 23.357 kHz下不同厚度薄冰電容溫度特性

4 冰厚模型回歸

4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

由于飛機(jī)高空飛行過(guò)程中外界環(huán)境差異較大,所結(jié)薄冰微觀特征在時(shí)刻發(fā)生變化,在不同頻率下有不同的電容測(cè)量結(jié)果,以頻率作為模型特征參數(shù)可以更充分反映當(dāng)前結(jié)冰情況。因此將掃描頻率、電容和溫度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入特征,相應(yīng)的冰厚作為模型輸出標(biāo)簽。實(shí)驗(yàn)共收集8 800組數(shù)據(jù),由于中高頻段數(shù)據(jù)的區(qū)分度大于低頻段數(shù)據(jù),因此選用頻率從23.357～100 kHz之間的電容掃描數(shù)據(jù)(共3 471組)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集。隨機(jī)劃分出80%的數(shù)據(jù)作為模型的訓(xùn)練集,剩余20%數(shù)據(jù)作為模型驗(yàn)證集。經(jīng)過(guò)20 000輪次的迭代訓(xùn)練后,訓(xùn)練集的均方誤差和平均絕對(duì)誤差基本趨于平穩(wěn),達(dá)到0.009 3 mm2和0.052 2 mm,驗(yàn)證集分別為0.009 7 mm2和0.052 1 mm,訓(xùn)練結(jié)果達(dá)到較理想的預(yù)期。

4.2 回歸結(jié)果分析

圖8(a)和圖8(b)分別為模型迭代結(jié)束后在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集數(shù)據(jù)上的真實(shí)厚度與預(yù)測(cè)厚度,圖8(c)和圖8(d)代表了對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)集上的厚度誤差分布及其概率統(tǒng)計(jì)。依據(jù)3σ準(zhǔn)則確定誤差區(qū)間為[-0.2 mm,+0.2 mm][26]?？梢钥吹?訓(xùn)練集預(yù)測(cè)誤差在[-0.2 mm,+0.2 mm]之間的概率為97.7%,驗(yàn)證集預(yù)測(cè)誤差在[-0.2 mm,+0.2 mm]之間的概率為96.3%,訓(xùn)練集超過(guò)0.2 mm的誤差占比2.3%,驗(yàn)證集超過(guò)0.2 mm的誤差占比3.7%?？梢?jiàn)高于0.2 mm誤差的預(yù)測(cè)點(diǎn)占少數(shù),模型預(yù)測(cè)精度達(dá)到約0.2 mm,其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度能夠滿足要求。

為了評(píng)估模型的環(huán)境適應(yīng)性,使用訓(xùn)練好的模型在測(cè)試集上進(jìn)行最終的測(cè)試。模擬前述薄冰增長(zhǎng)過(guò)程,將模型實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量冰厚進(jìn)行對(duì)照,其預(yù)測(cè)結(jié)果與最終誤差分布如圖9所示。可以看到,測(cè)試集中的預(yù)測(cè)誤差分布相對(duì)于訓(xùn)練集與驗(yàn)證集有所下降,在[-0.2 mm,+0.2 mm]區(qū)間內(nèi)概率為70.5%。這是由于測(cè)試集數(shù)據(jù)并未參與模型構(gòu)建過(guò)程,屬于完全陌生的數(shù)據(jù),部分厚度在訓(xùn)練集數(shù)據(jù)中并沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的特征數(shù)據(jù),因此相比于訓(xùn)練集和驗(yàn)證集,預(yù)測(cè)結(jié)果精度有所下降,但總體結(jié)果分布仍然證明了預(yù)測(cè)方法的可行性?？梢酝ㄟ^(guò)更多有效數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和更精細(xì)化的厚度數(shù)據(jù)劃分提高模型的預(yù)測(cè)精度和適應(yīng)能力。

(a)訓(xùn)練集預(yù)測(cè)結(jié)果

(b)驗(yàn)證集預(yù)測(cè)結(jié)果

(c)訓(xùn)練集誤差分布

(d)驗(yàn)證集誤差分布

(a)測(cè)試集預(yù)測(cè)結(jié)果

(b)測(cè)試集誤差分布

5 循環(huán)探測(cè)下的加熱性能研究

探測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際工況下需要能夠重復(fù)檢測(cè)薄冰生成,即需要在冰厚達(dá)到機(jī)體報(bào)警閾值情況下對(duì)傳感器表面進(jìn)行除冰。由于實(shí)驗(yàn)條件不能模擬飛行中的高速氣流環(huán)境,而以往風(fēng)洞試驗(yàn)中,飛機(jī)表面薄冰在加熱狀態(tài)下呈現(xiàn)出以塊狀形式被高速氣流帶走的特性,因此以傳感器表面薄冰溫度達(dá)到0 ℃時(shí)的融化相變條件作為薄冰在實(shí)際飛行條件下的脫落標(biāo)志。加熱電壓設(shè)置為28 V,除冰時(shí)限設(shè)置為10 s,以5 ℃的降溫間隔研究薄冰從-10～-30 ℃下的受熱溫變過(guò)程。圖10(a)為低溫交變?cè)囼?yàn)箱營(yíng)造的除冰實(shí)驗(yàn)環(huán)境,圖10(b)為冰厚測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái),冰厚實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值會(huì)通過(guò)顯示端口連接至外部顯示器,實(shí)際條件下飛行員可參考儀表顯示器中的結(jié)冰數(shù)值決定手動(dòng)或自動(dòng)除冰。當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)到當(dāng)前薄冰達(dá)到2 mm結(jié)冰閾值時(shí),MCU將啟動(dòng)加熱裝置進(jìn)行除冰。圖10(c)為聚酰亞胺加熱膜結(jié)構(gòu),表面加熱絲以鎳鉻合金作為主要成分。圖10(d)為初始溫度為-10 ℃的薄冰在加熱10 s后的積冰狀態(tài),可以看到此時(shí)的薄冰在受熱10 s后冰層底部已經(jīng)大部分融化,融化過(guò)程中薄冰底部發(fā)生松動(dòng),空氣逐漸進(jìn)入冰底,顯現(xiàn)出大量氣泡,達(dá)到薄冰的脫落標(biāo)志。

(a)除冰實(shí)驗(yàn)環(huán)境

(b)冰厚測(cè)量平臺(tái)

(c)傳感器背板加熱結(jié)構(gòu)

(d)除冰結(jié)果

加熱過(guò)程中傳感器表面薄冰溫度變化如圖11所示,在加熱除冰裝置開(kāi)啟10 s后,初始溫度為-30 ℃和-25 ℃的薄冰最終升溫至-5.28 ℃和-2.00 ℃,2組薄冰溫度均未達(dá)到相變的零點(diǎn)。初始溫度為-20 ℃的薄冰在受熱10 s后溫度為0.99 ℃,越過(guò)了相變狀態(tài)的零點(diǎn),此時(shí)可以視作實(shí)際飛行過(guò)程中的結(jié)冰脫落標(biāo)志。初始溫度為-15 ℃和-10 ℃的薄冰在受熱10 s后的溫度分別達(dá)到了2.00 ℃和4.45 ℃,達(dá)到脫落標(biāo)志的3種薄冰在溫度趨于0 ℃的相變點(diǎn)時(shí)升溫速率逐漸減小,這是由于冰水相變的潛熱造成的。薄冰受熱后的溫度越高,相應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗畱B(tài)的比例也就越大,在實(shí)際飛行中也更容易從傳感器表面脫落,在表面薄冰脫落后傳感器可繼續(xù)對(duì)外界結(jié)冰狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè),形成新一輪的結(jié)冰預(yù)測(cè)信息。

圖11 不同初始溫度薄冰受熱溫變結(jié)果

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)翼薄冰探測(cè)系統(tǒng),基于冰水介電常數(shù)差異原理,以具有良好導(dǎo)熱性能的氧化鋁材料為基板,構(gòu)建了探-除冰一體的平面電極傳感器,提出使用頻率掃描法對(duì)傳感器表面的薄冰電容特性進(jìn)行測(cè)量,并利用運(yùn)行于NUC平臺(tái)中的全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)冰厚的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于0～2 mm厚度內(nèi)的薄冰探測(cè),所建立冰厚回歸模型的訓(xùn)練集與驗(yàn)證集在[-0.2 mm,+0.2 mm]誤差區(qū)間內(nèi)的預(yù)測(cè)概率分別為97.7%和96.3%。在新一輪結(jié)冰環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試中,模型測(cè)試集誤差在相同區(qū)間上的預(yù)測(cè)概率為70.5%。當(dāng)冰厚達(dá)到設(shè)定閾值,系統(tǒng)可在10 s內(nèi)完成對(duì)傳感器表面的除冰,以保證在不同結(jié)冰環(huán)境下的實(shí)時(shí)重復(fù)探測(cè)。本研究為通航小型飛機(jī)在惡劣環(huán)境下的飛行安全提供了一種新的監(jiān)測(cè)方法。