旋转物表面非接触式结冰探测器 【技术领域】
本发明涉及光电传感器，具体为旋转物表面非接触式结冰探测器，用于对直升机旋翼及其它旋转物体表面结冰状况进行实时探测。
背景技术
目前国外用于直升机旋翼结冰的方法主要有以下五种：(1)直升机旋翼结冰被动式红外探测方法通过红外探测器来探测过冷水滴在直升机旋翼表面结冰时释放出的热量，得到相应的直升机旋翼结冰信息。该方法要求高灵敏度的红外探测器，这样不但红外探测器价格昂贵，而且红外探测器很容易受到外界环境的干扰，影响测量结果。(2)基于时域反射的直升机旋翼结冰探测法是在直升机旋翼表面展向方向粘连一根传输导线，并在传输导线发射一个电磁脉冲，此电磁脉冲沿着传输导线传播，在传输导线阻抗发生变化的地方发生反射，由于冰和空气不同的介电特性得到不同的反射波形，从而推求直升机旋翼表面结冰的变化情况。(3)英国普莱西(Plessey)航空电子公司于上个世纪八十年代的发明结冰探测器，是通过探测外界的环境温度、大气压强和液态水含量作为结冰强度的度量标准。上述方法(2)和(3)都须接触冰表面，采用接触式方法测量。(4)声表面波法利用声表面波在传播过程中受到介质的材料参数和介质层厚度的影响，其频移或者相变的形式会发生改变的原理获得结冰信息。但是此方法容易受旋翼表面积水和环境温度变化的影响，还未见其实际应用的报导。(5)2004年美国公布一项激光能量反射的直升机旋翼结冰探测器专利(专利号US6819265B2)，这种探测器利用激光器向直升机旋翼表面发射激光脉冲，当直升机旋翼表面结冰时，通过激光反射能量的变化，可以对直升机飞行环境中的大气液态水含量(LiquidWater Content，简称LWC)进行测量，得到相应的直升机旋翼结冰信息。但是此项技术属于间接测量，也未见实际应用的报导。
国内的直升机旋翼结冰探测技术相对于西方发达国家而言，发展比较落后，到目前为止，国内没有任何一家单位可以提供相关技术或产品。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种旋转物表面非接触式结冰探测器，能以非接触方式直接探测直升机旋翼及其它旋转物体表面的结冰状态和范围。
旋转物表面非接触式结冰探测器，包括信号发生器12、激光驱动器1、激光探头、光电探测器3、信号预处理单元、高门限比较器7、高门限展宽器9、低门限比较器8、低门限展宽器10、信号处理器11和告警电路；
信号发生器12通过激光驱动器1驱动激光探头产生射向旋转物表面的激光脉冲，光电探测器3接收旋转物表面返回的光信号，将其转换为电信号，电信号经过信号预处理单元放大和提高信噪比后，分为两路：第一路经过高门限比较器7和高门限展宽器9到达信号处理器11，信号处理器11依据第一路信号判别旋转物表面沿弦向的结冰分布范围；第二路经过经低门限比较器8和低门限展宽器10到达信号处理器11，信号处理器11依据第二路信号判别旋转物表面经过光电探测器探头上方的渡越时间；信号处理器11依据两路信号的判别结果产生结冰告警信号并输出给告警电路。
本发明的技术效果体现在：本发明以非接触方式直接探测直升机旋翼及其它旋转物体表面的结冰状态和范围，通过发射小功率激光到被测旋转物表面，物体表面结冰部位因吸收造成反射光强度发生变化，实时探测接收光强度的变化即可探测结冰的状态信息，同时通过实时测量结冰部位的渡越时间，可判断结冰部位沿弦向的分布范围。采用非接触方式避免了可动部件测量信号的传递，适用于对直升机旋翼及其它旋转物体表面结冰状况进行实时探测。安装方便，确保不破坏直升机旋翼及旋转物体结构，同时信号传递无需通过集流环。
【附图说明】
图1为本发明的系统结构图；
图2为激光探头结构图；
图3为激光探头端面图；
图4为双阈值比较器输出信号图；
图5为双阈值比较展宽输出信号图。
【具体实施方式】
现结合图1至图5对本发明的一种具体实施方式详细说明。
在图1中，由信号发生器12产生方波，除通过激光驱动器1驱动激光器2产生激光脉冲以外，同时作为参考信号给同步积分器6、作为中断信号给数字信号处理器11。当无结冰发生时，发射光通过激光探头射向旋翼或旋转物体表面，并反射回较强的反射光，光电探测器3可以探测到相对较强的光信号。当旋转物体探测表面有结冰时，该波长下的发射光被冰层吸收一部分，反射回相对较弱的反射光，光电探测器3探测到相对较弱的光信号。光电探测器3将光信号转换成电信号，经前置放大器4、可调增益放大器5放大，由同步积分器6进行相关运算后输出两路高信噪比的脉冲信号，一路经低门限比较器8和低门限展宽器10的输出可提供给数字信号处理器11，用于判别旋转物表面经过探头上方的渡越时间；另一路经高门限比较器7和高门限展宽器9的输出可提供给数字信号处理器11，用于判别旋转物表面沿弦向的结冰分布范围。当判断的结冰范围大于设定值时，由数字信号处理器11输出结冰告警信号，并通过由告警继电器13、告警通讯接口14和告警指示器15构成的告警电路输出结冰告警信号。
其中，前置放大器4采用低噪声放大器，并独立屏蔽；可调增益放大器5的增益，由数字信号处理器11根据低门限比较器8的输出来设定与改变，如果在有限的时间内低门限比较器8无高电平输出，则增加可调增益放大器5的增益；高门限展宽器9和低门限展宽器10，均是展宽器，只是其输入信号分别来自高门限比较器7和低门限比较器8的输出；高、低门限具体上是两个直流电平，当同步积分器6输出脉冲的幅值大于低门限电平时，低门限比较器8输出相同的脉冲，否则低门限比较器8输出低电平；当同步积分器6输出脉冲的幅值大于高门限电平时，高门限比较器7输出相同的脉冲，否则高门限比较器7输出低电平；高门限电平地直流电压值高于低门限电平的直流电压值。高门限电平、低门限电平通过试验确定，设旋转物未结冰表面经过激光探头上空对应同步积分器6输出脉冲的幅值为V1，旋转物结冰表面经过激光探头上空对应同步积分器6输出脉冲的幅值为V2，旋转物表面未经过激光探头上空对应同步积分器6输出脉冲的幅值为V3，则高门限电平设定于V1和V2之间，低门限电平设定于V2和V3之间。
图2为激光探头结构示意图，激光探头包括激光器2、滤光片16、接收光纤束17和热保护组件，激光器2位于激光探头的中轴，在其周围平行安装接收光纤束17，滤光片16固定在二者顶端，热保护组件安装于激光探头的外层，热风通过热保护组件引导到滤光片外表面，可避免激光探头结冰。热保护组件包括温度传感器18、加热泵22、绝热衬垫19和热保护罩20，温度传感器18嵌入激光探头的金属结构内，靠近接收光纤束17外侧，其周围粘贴绝热衬垫19，绝热衬垫19外围通热保护的空气，在激光器2、滤光片16、接收光纤束17的外部安放有防止其温度过低而结冰的热保护罩20。激光器2工作波长为红外波段，以减少可见光对探测器的干扰，滤光片16的作用是减少非工作波长的光线透过，以减少背景光的影响。发射光通过激光器2射向旋翼或旋转物体表面，光电探测器3通过接收光纤束17的引导可以探测到旋转物体表面反射回的光。同时，当由温度传感器18探测的激光探头前端温度低于某一温度时(如10℃)，由温度控制器21自动控制加热泵22，以加热空气并吹过激光探头表面，避免激光探头表面结冰。图3为激光探头的端面图，表明发射激光器2和接收光纤束17的布置示意图。
图4为经过激光探头上方的旋转物体表面结冰和非结冰时，高门限比较器7和低门限比较器8的输出脉冲信号示意图。只要旋转物表面经过激光探头上方，低门限比较器8的输出就存在脉冲信号，否则输出低电平信号；只要旋转物表面非结冰部位经过激光探头上方，高门限比较器7的输出就存在脉冲信号，否则输出低电平信号。
图5为经过激光探头上方的旋转物体表面结冰和非结冰时，高门限展宽器9和低门限展宽器10的输出信号示意图。低门限展宽器10输出信号特征为：无论结冰与否，当旋翼或旋转物体表面经过探头上方时，输出信号为高电平；当旋翼或旋转物体离开探头上方时，输出信号为低电平。高门限展宽器9输出信号特征为：当带有结冰部位的旋翼或旋转物体表面经过探头上方时，输出信号为高电平；当带有结冰部位的旋翼或旋转物体表面离开探头上方时，输出信号为低电平。