振管式結冰檢測傳感器設計優(yōu)化及改進

中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001

一、引言

無論在氣象和道路結冰檢測等民用領域，還是在機翼及雷達表面結冰厚度檢測等軍用領域，結冰檢測技術都有著廣泛的需求和應用。

目前，現(xiàn)有的振管式結冰檢測傳感器產(chǎn)品穩(wěn)定性不高，冰層厚度測量精度低，甚至有些產(chǎn)品不具備冰層厚度測量能力，嚴重影響其實際使用效果。因此，提高傳感器的穩(wěn)定性并開發(fā)其冰層厚度測量能力，就變得非常有必要。

本文通過對傳感器進行設計優(yōu)化，使用掃頻電路代替LC諧振電路，以提供穩(wěn)定的激振信號；通過多項式目標函數(shù)法，將被測頻率、環(huán)境溫度以及冰層厚度結合起來，實現(xiàn)對冰層厚度的準確檢測。最終，使傳感器穩(wěn)定性大大提高，并實現(xiàn)對冰層厚度測量，誤差精度不小于0.15mm。

二、工作原理

振管式結冰檢測傳感器的探頭組件部分如圖1所示，其原理為：利用諧振電路產(chǎn)生交變信號，在激振線圈中產(chǎn)生交變磁場，使磁致伸縮合金制成的振管在磁場作用下產(chǎn)生磁致伸縮振動，最終使振管以諧振頻率振動，再通過信號拾取線圈將振管的振動頻率轉(zhuǎn)換為頻率電信號，實現(xiàn)信號處理電路對振動頻率的檢測。根據(jù)振動學理論，當包括振管在內(nèi)的傳感器探頭表面結有冰層時，振管的固有諧振頻率會隨著冰層的加厚而降低，因此通過檢測諧振頻率的偏移量Δf，就可以得出當前冰層的厚度[1]。

三、傳感器設計優(yōu)化

1、傳感器電路部分優(yōu)化設計

目前，結冰檢測傳感器采用LC正弦波諧振電路來對振管進行激振，其原理圖如圖2所示。這種電路設計結構簡單，需要的電子元件少，但也存在以下兩個缺點：

（1）受加工裝配過程中必然存在的誤差影響，批量生產(chǎn)的傳感器振管諧振頻率不可能保證一致性，為了使激振效果達到最大，就必須調(diào)整每個激振電路中的容值和阻值，使得人力和時間成本變高；

（2）由于結冰檢測傳感器的使用環(huán)境普遍較為惡劣，容易受到?jīng)_擊和振動的影響，長期使用過程中，整體焊接封裝結構會發(fā)生細微的改變，導致振管諧振頻率出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，使得LC激振電路的激振能力減弱甚至失效[2]。

為解決以上兩點問題，本文將激振電路改為由單片機控制DDS芯片AD9850組成的掃頻電路。該電路可以自動調(diào)整激振頻率，同時完成拾取頻率檢測和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及邏輯控制工作。

AD9850是高集成度DDS頻率合成器，其內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能DAC及高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字變編程控制的頻率合成器和時鐘發(fā)生器。在接入精密時鐘源后，AD9850可產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。AD9850在125MHz時鐘下，輸出頻率分辨率為0.029Hz，頻率范圍為0.1Hz～400MHz，幅值范圍為0.2～1V。對應的電路組件原理框圖如圖3所示[3]。

當傳感器啟動時，單片機通過串口直接向AD9850輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)，AD9850則輸出一定頻率范圍內(nèi)掃頻變化的正弦波激振信號，經(jīng)濾波放大后輸送至激振線圈。激振線圈受激后產(chǎn)生交變磁場，當激振信號頻率與振管諧振頻率重合時，則振管振幅達到峰值，信號拾取線圈將機械振動轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大和波形轉(zhuǎn)換電路后，變?yōu)橥l率方波反饋回單片機，最終由單片機測得反饋信號頻率，進行后續(xù)的邏輯運算處理。

其中，在經(jīng)過初始化后，AD9850輸出的正弦波信號頻率為掃頻頻率的下限(f0-fT)，其中，f0為使用ANSYS軟件進行有限元分析得到的振管理論諧振頻率，fT為調(diào)整頻率，其具體數(shù)值與有限元分析過程中模型的簡化成都有關。若對模型過度簡化，忽略的組件過多，則理論諧振頻率與實際諧振頻率的誤差將增大，此時fT應適當增大，根據(jù)具體情況進行設定。Δf的大小由AD9850的頻率控制字ΔFreq決定，最小可達到0.03Hz，當然在實際使用過程中并不需要如此小的掃頻變化量，設定為10～20Hz即可滿足要求。

2、結冰厚度檢測

當結冰檢測傳感器的振管表面結冰時，其軸向固有諧振頻率將出現(xiàn)偏移，冰層厚度越大，諧振頻率越低。不過，環(huán)境溫度的變化會引起諧振頻率產(chǎn)生漂移，再加上其本身所存在的非線性問題，以及在焊接組裝過程中受到的應力影響，冰層厚度和頻率變化量并不是線性關系。

結冰檢測傳感器在冰層厚度相同的情況下，其諧振頻率在不同的環(huán)境溫度下會有不同的輸出值。采用信息融合的處理方法，推導出傳感器輸出信號的最佳擬合表達式，得出融合了溫度測量結果的帶有溫度參數(shù)的頻率輸出解析表達式，進而通過準確的溫度測量實現(xiàn)高精度的結冰厚度檢測[4]。

結冰檢測傳感器的諧振頻率輸出信號Ft可以由兩部分組成：

其中，F(xiàn)0(t，f)—零點輸出信號，與溫度和傳感器探頭組件自身的諧振頻率f有關；

h—與冰層厚度有關的有效信號。

又有下式：

其中，S—冰層厚度靈敏度，與傳感器的結構、焊接工藝、振管結構尺寸等因素有關；

S0—溫度為零度時的冰層厚度靈敏度；

αi—冰層厚度靈敏度溫度系數(shù)。

因為S0為非線性函數(shù)，于是將h表示為f的冪級數(shù)，即有：

在滿足精度條件下取有限項n，結冰檢測傳感器校準時由靜態(tài)特性可以測得m組h和f的數(shù)據(jù)。對應第i個測量值hi，fi，對應式（4）的hi′計算值為：

使計算值hi′與各次測量值hi的偏差平方和最小，即有：

因為i有n個有限值，因此由式（6）可得n個線性方程。式（6）對αi求導后，得：

當解出n個有限的αi值：α0、α1…αj…αn后，帶入式（4）可得hi(fi)的計算值。由i=1，2……n個hi′的計算值，再帶入式（6）可得到σ值。若σ值小于規(guī)定的誤差值，則上面確定的n個αi值已經(jīng)達到目標要求，于是可用式（7）表示h-f之間的顯示關系。若σ〉σ0，則說明未達到目標要求，此時重新令hi(fi)多項式中再增加n+1 項，重新計算α0、α1…αj…αn+1各系數(shù)，直到達到目標要求為止。

四、實驗驗證

1、穩(wěn)定性試驗

為驗證傳感器的穩(wěn)定性設計，分別對使用LC諧振電路的傳感器A和使用掃頻電路傳感器B進行沖擊振動試驗。其中，沖擊試驗按照GJB150.18中試驗五規(guī)定的條件進行，振動試驗按照GJB150.16中2.3.1規(guī)定的試驗方法進行。若為了進一步模擬實際的使用環(huán)境，還可進行隨機振動、溫沖、濕熱等環(huán)境試驗，考慮到工作量太大，本文未進行這幾種試驗。

試驗結果如圖4所示，可以看出兩個傳感器振管的諧振頻率都發(fā)生了漂移。其中，使用LC諧振電路的傳感器拾取到的頻率信號產(chǎn)生了失真變形，幅值明顯減小，而使用掃頻電路的傳感器拾取到的頻率信號波形和幅值變化極小。

2、冰層厚度檢測試驗

將傳感器放置在-30℃的低溫箱中，待其溫度穩(wěn)定后，用裝有低于5℃水的噴霧器向傳感器頂帽部位均勻地噴一薄層水，噴水量限制在10ml以內(nèi)。20min后，使用卡尺測量帶有冰層的振管直徑H，則冰層厚度為：（H-H0）/2，H0為振管自身直徑。之后，重復上述過程，直至冰層厚度為3mm為止，得出的冰層厚度與實際冰層厚度對比如表1所示。

表1 實際冰層厚度與測得冰層厚度對比表

試驗驗證表明，通過使用掃頻電路進行激振，可以有效提升振管式結冰檢測傳感器的穩(wěn)定性；采用信息融合技術進行冰層厚度檢測。如表1所示，傳感器對0～3mm厚的冰層，測量誤差不大于0.15mm。

五、結論

振管式結冰檢測傳感器目前已經(jīng)在我國某型導航系統(tǒng)的相控雷達上的到應用，但受限于傳感器的穩(wěn)定性較差，缺乏冰層厚度測量能力等缺點，尚未得到大范圍推廣應用。本文對傳感器進行了針對性的改進，實現(xiàn)了對冰層厚度的準確檢測，傳感器對冰層厚度測量誤差小于0.15mm。在此試驗基礎上，經(jīng)過工程化和產(chǎn)品化推廣，結冰檢測傳感器將擁有更加廣闊的應用前景。