一种临界防冰保护的光纤结冰传感器、系统和方法与流程

1.本发明涉及风洞试验技术领域，尤其是涉及一种临界防冰保护的光纤结冰传感器、系统和方法。


背景技术：

2.当飞机飞行于高空云雾环境中，机外迎风部件与过冷水滴撞击，部件表面结冰破坏了气动外形，导致气动性能下降，轻则影响飞行状态，重则引发飞行事故，另外相关研究表明结冰发生在不同部件有着很大的差异，关键部件有小量结冰的危害程度与大结冰量部件是等同的，因此结冰是飞行安全的危险源之一。为深入探究结冰问题和进一步优化防除冰手段，进行精确的结冰测量是非常有必要的，达到结冰定量、定性测量的要求，为相关研究提供可靠的依据。
3.结冰测量主要依靠结冰传感器来实现，目前机载常用的结冰传感器仅能输出有/无结冰信号，检测较为局限，而且其他区域防护方式较为单一，甚至未做防护考虑。光纤结冰传感器作为新兴结冰传感器之一，具有冰厚、冰型、覆冰区域测量等功能，但在结冰环境中应用光纤结冰传感器时，会出现测量不准确的现象，其测量结果难以应用于仿真试验中，因此限制了光纤结冰传感器在结冰环境中的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种能够解决上述技术问题的临界防冰保护的光纤结冰传感器、系统和方法。
5.本发明第一方面提供了一种临界防冰保护的光纤结冰传感器，包括温度测量区域和结冰监测区域，所述温度测量区域设置在非监测部的迎风面上，所述结冰监测区域设置在监测部和/或非监测部的迎风面上，所述结冰监测区域的截面至少有一处与所述温度测量区域的截面相同，所述结冰监测区域和所述温度测量区域与前缘的相对位置相同，所述前缘为所述光纤结冰传感器迎风面的最前端；所述监测部和所述非监测部相互连接，所述监测部用于获取所述光纤结冰传感器安装位置处的监测信息，所述非监测部用于获取所述光纤结冰传感器迎风面上除所述监测部以外的监测信息，所述监测信息包括温度信息和结冰信息。
6.进一步的，所述结冰监测区域和温度测量区域均沿所述光纤结冰传感器的周向延伸设置。
7.进一步的，所述温度测量区域包括多个测温点，所述测温点沿所述非监测部的周向分布。
8.本发明第二方面提供了一种防冰数据处理系统，包括监测系统、数据处理系统和防冰系统，所述监测系统与所述临界防冰保护的光纤结冰传感器连接，所述数据处理系统与所述监测系统和防冰系统连接。
9.进一步的，所述监测系统包括结冰监测系统和测温系统，所述结冰监测系统与结
冰监测区域连接，所述测温系统与温度测量区域连接。
10.进一步的，所述防冰系统包括多个加热区，所述加热区沿光纤结冰传感器的周向设置，所述加热区的数量小于等于所述测温点的数量。
11.本发明第三方面提供了一种防冰控制方法，包括如下步骤：步骤s10：开启所述的防冰数据处理系统；步骤s20：调整防冰功率，使得温度测量区域温度满足预设温度值，所述温度测量区域温度为所有测温点温度值的均值，所述防冰功率为防冰系统的功率；步骤s30：进入结冰环境，结冰监测区域获取光纤结冰传感器表面的结冰信息，通过结冰信息控制所述防冰功率，控制所有测温点温度大于临界防冰温度，进入临界防冰状态。
12.进一步的，步骤s30中控制所有测温点温度大于临界防冰温度的方法包括：当所述测温点温度小于等于临界防冰温度时，提升所述测温点的防冰功率，直至所有测温点温度均大于临界防冰温度。
13.进一步的，判断测温点温度是否大于临界防冰温度之前还包括步骤s31：当测温点的时域温度变化量大于预设温度变化量时，提升所述测温点的防冰功率；当测温点的时域温度变化量小于预设温度变化量时，保持防冰功率。
14.进一步的，所述结冰信息包括结冰厚度、结冰类型、覆冰面积，通过建立所述结冰厚度、所述结冰类型、所述覆冰面积与所述防冰功率之间的函数关系式，获得防冰功率，所述函数关系式为p
de-icing
=f（d
ice
，c
ice
，,a
ice
），其中，d
ice
为冰厚、c
ice
为冰型、a
ice
为覆冰面积。
15.综上所述，本发明至少能够实现如下技术效果：1. 本发明通过设置与温度测量区域截面相同的结冰监测区域，进一步确保了非监测部在防冰过程中无残留冰，实现精确测量，精确防冰除冰，同时有效解决了微量结冰时，温度变化不是特别明显时的如何精确防冰除冰的问题；2. 本发明通过在非监测部设置温度测量区域，并设置与温度测量区域截面相同的结冰监测区域，使得非监测部保持在临界防冰状态，避免了非监测部结冰对监测部气流场的影响，同时避免了非监测部防冰温度过高对监测部温度场的影响，不仅能够提高光纤结冰传感器的测量精度，还能够优化防冰系统的资源利用率；3. 本发明通过在所述光纤结冰传感器的迎风面上设置至少一处截面相同的结冰监测区域和温度测量区域，使得结冰监测区域获取的结冰信息和温度测量区域获取的温度信息相匹配，能够通过结冰监测区域获取的准确的结冰信息，得到结冰的详细数据，从而对温度测量区域所在的非监测部表面进行防冰除冰，从而实现精准的防冰除冰；4. 本发明通过数据处理系统与所述监测系统和防冰系统连接，使得监测系统得到非监测部表面的温度信息和结冰信息，并及时通过数据处理系统得以反馈和调控，并通过测温系统控制防冰系统对光纤结冰传感器表面处于临界防冰状态，从而进行有效且精准的除冰，并优化防冰系统的资源利用率；5. 本发明通过控制温度测量区域温度满足预设温度值，从而避免了非监测部结冰对监测部结冰的气流场的影响，保障非监测部不结冰，避免由于非监测部结冰造成的监测部测量准确度的降低，提高了光纤结冰传感器的测量精确度；6. 本发明通过当测温点的时域温度变化量大于预设温度变化量时，增大防冰功
率，实现了对结冰区域的准确判断，并对得到的结冰区域进行精确的防冰除冰；7. 本发明通过建立结冰信息与防冰功率之间的函数关系式，实现了对非监测部表面防冰功率的精确计算和调节，再结合温度信息综合判断非监测部表面是否达到临界防冰点，从而控制防冰系统调节功率，支撑保持在临界防冰点，可提升防冰系统的能源利用率。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明中临界防冰保护的光纤结冰传感器的示意图一；图2是本发明中临界防冰保护的光纤结冰传感器的示意图二；图3是本发明中临界防冰保护的光纤结冰传感器的示意图三；图4是本发明中临界防冰保护的光纤结冰传感器的示意图四；图5是本发明中临界防冰保护的光纤结冰传感器的立体示意图；图6是本发明中测温点和加热区的示意图；图7是本发明中防冰温度控制系统的示意图；图8是本发明中防冰温度控制方法的流程示意图。
18.其中，100-光纤结冰传感器，110-非监测部，111-迎风面，120-监测部，130-温度测量区域，131-测温点，140-结冰监测区域，210-加热区，211-第一加热区，212-第二加热区，213-第三加热区，214-第四加热区，215-第五加热区。
具体实施方式
19.以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"垂直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是多个或多个以上，除非另有明确具体的限定。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接：可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是多个元件内部的连通或多个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术
人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
23.本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
24.实施例一：如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明实施例一提供了一种临界防冰保护的光纤结冰传感器100，包括温度测量区域130和结冰监测区域140，所述温度测量区域130设置在非监测部110的迎风面上，所述结冰监测区域140设置在监测部120和/或非监测部110的迎风面上，所述结冰监测区域140的截面至少有一处与所述温度测量区域130的截面相同，所述结冰监测区域140和所述温度测量区域130与前缘的相对位置相同，所述前缘为所述光纤结冰传感器迎风面的最前端；所述监测部120和所述非监测部110相互连接，所述监测部120用于获取所述光纤结冰传感器安装位置处的监测信息，所述非监测部110用于获取所述光纤结冰传感器迎风面上除所述监测部以外的监测信息，所述监测信息包括温度信息和结冰信息。
25.申请人结合多年的实践经验，并经过多次试验、观察发现：光纤结冰传感器100测量不准确的主要原因是由于监测部120以外的非监测部110在结冰环境中会发生结冰，而非监测部110的结冰会改变光纤结冰传感器100的结冰环境，影响监测部120的测量精度，进而导致光纤结冰传感器100的测量准确性差，尤其是当非监测部110表面存在微量结冰时，难以实现有效且精确地防冰除冰。
26.因此，本实施例通过设置温度测量区域130获得非监测部110表面温度的变化值，从而判断非监测部110表面是否结冰，以及结冰区域的大小，并非监测部110表面出现结冰后对非监测部110表面的结冰区域进行防冰除冰。但申请人发现仅通过温度测量区域130的设置，虽然同样能够实现但难以实现对防冰功率的精确控制，常常会导致防冰功率过高，加热温度过高，进而使得非监测部110表面过高的温度场影响了监测部120对结冰数据监测的准确度，同时过高的防冰功率也造成了能源的浪费。
27.进而，本实施例通过设置与温度测量区域130截面相同的结冰监测区域140，确保了非监测部110在防冰过程中无残留冰，有效解决了微量结冰时，温度变化不是特别明显时的防冰除冰，保障非监测部110不结冰，实现精确测量，精确防冰除冰。
28.所述结冰监测区域140用于获取非监测部110表面的结冰信息，所述温度测量区域130用于获取非监测部110表面的温度信息。
29.结冰监测区域140和温度测量区域130的形状不做具体限定，仅需要结冰监测区域140和温度测量区域130的截面至少一处相同，所述结冰监测区域140和所述温度测量区域
130与前缘的相对位置相同，即所述结冰监测区域140上各点和所述温度测量区域130上各点与前缘的相对位置均相同，相对位置指除前缘延伸线方向之外的其他方向的位置，例如：结冰监测区域140的上方最远点和温度测量区域130的上方最远点与前缘线在水平方向、竖直方向的距离均相同。从而使得在同一个结冰环境中，结冰监测区域140的结冰信息能够反应温度测量区域130的温度信息，且温度测量区域130的温度信息能够反应结冰监测区域140的结冰信息。这是由于当光纤结冰传感器100位于同一结冰环境时，迎风面形状相同的流场相同，即截面相同且位置相同的结冰监测区域140和温度测量区域130所处的流场相同。
30.如图1所示，当所述非监测部110迎风面的截面与所述监测部120迎风面的截面不同时，所述结冰监测区域140和所述温度测量区域130均设置于所述非监测部110上。当所述非监测部110迎风面的截面与所述监测部120迎风面的截面相同时，所述结冰监测区域140设置于所述监测部120上，如图2所示；或所述结冰监测区域140设置于非监测部110上，如图3所示；或所述结冰监测区域140设置于监测部120和非监测部110上，如图4所示。
31.通过设置与温度测量区域130截面相同的结冰监测区域140，进一步确保了非监测部110在防冰过程中无残留冰，实现精确测量，精确防冰除冰，同时有效解决了微量结冰时，温度变化不是特别明显时的如何精确防冰除冰的问题，确保了非监测部110表面防冰过程中无残留冰。
32.通过在非监测部110设置温度测量区域130，并设置与温度测量区域130截面相同的结冰监测区域140，使得非监测部110保持在临界防冰状态，避免了非监测部110结冰对监测部120气流场的影响，同时避免了非监测部110防冰温度过高对监测部120温度场的影响，不仅能够提高光纤结冰传感器100的测量精度，还能够优化防冰系统的资源利用率。
33.通过在所述光纤结冰传感器100的迎风面上设置至少一处截面相同的结冰监测区域140和温度测量区域130，使得结冰监测区域140获取的结冰信息和温度测量区域130获取的温度信息相匹配，能够通过结冰监测区域140获取的准确的结冰信息，得到结冰的详细数据，从而对温度测量区域130所在的非监测部110表面进行防冰除冰，从而实现精准的防冰除冰。
34.进一步的，所述结冰监测区域140和温度测量区域130均沿所述光纤结冰传感器100的周向延伸设置。
35.进一步的，所述温度测量区域130包括多个测温点131，所述测温点131沿所述非监测部110的周向分布。
36.通过设置多个测温点131，并将测温点131沿非监测部110的周向布置，使得测温点131能够反馈非监测部110迎风面不同周向位置上的温度值和/或温度变化，进而根据不同测温点131的温度值判断结冰区域的大小，从而反馈给防冰系统，实现非监测部110的精确防冰除冰。
37.实施例二：如图7所示，本发明实施例二提供了一种防冰数据处理系统，包括监测系统、数据处理系统和防冰系统，所述监测系统与所述的光纤结冰传感器100连接，所述数据处理系统与所述监测系统和防冰系统连接。
38.通过数据处理系统与所述监测系统和防冰系统连接，使得监测系统得到非监测部
110表面的温度信息和结冰信息，并及时通过数据处理系统得以反馈和调控，并通过测温系统控制防冰系统对光纤结冰传感器100表面处于临界防冰状态，从而进行有效且精准的除冰，并优化防冰系统的资源利用率。
39.进一步的，所述监测系统包括结冰监测系统和测温系统，所述结冰监测系统与结冰监测区域140连接，所述测温系统与温度测量区域130连接。具体的，控制系统与温度测量区域130中的多个测温点131分别连接。
40.进一步的，如图6所示，所述防冰系统包括多个加热区，所述加热区沿所述光纤结冰传感器100的周向设置，所述加热区的数量小于等于所述测温点131的数量。
41.如图6所示，可将加热区210设置为沿所述非监测部110的周向设置的第一加热区211、第二加热区212、第三加热区213、第四加热区214和第五加热区215。其中，第一加热区211与第五加热区215轴向对称设置，且第一加热区211与第五加热区215上分别对称布置有两个测温点；第二加热区212与第四加热区214轴向对称设置，且第二加热区212与第四加热区214上分别对称布置有两个测温点；第三加热区213的中心与迎风面111的对称轴重合，且沿迎风面的延伸方向布置有三个测温点，图6中的箭头表示风向。
42.加热区210的数量做具体限定，只需能够通过加热区210的设置实现对多个测温点131进行分别加热即可。如图7所示，当测温点131数量为m，加热区数量为n，则需要满足m≦n即可。
43.测温系统得到非监测部110表面分布的温度点131的温度数据，并反馈给控制系统；控制系统通过判断哪些温度点上存在结冰，从而获得非监测部110表面的结冰区域。控制系统输出加热控制功率数值给防冰系统，防冰系统控制加热区210加热。
44.实施例三：如图8所示，本发明实施例三提供了一种防冰控制方法，包括如下步骤：步骤s10：开启所述的防冰数据处理系统；步骤s20：调整防冰功率，使得温度测量区域130温度满足预设温度值，所述温度测量区域130温度为所有测温点温度值的均值，所述防冰功率为防冰系统的功率；步骤s30：进入结冰环境，结冰监测区域140获取光纤结冰传感器100表面的结冰信息，通过结冰信息控制所述防冰功率，控制所有测温点温度大于临界防冰温度，进入临界防冰状态。
45.当光纤结冰传感器100进入结冰环境时，非监测部110表面的温度迅速降低至结冰温度，如0℃；但当非监测部110表面出现结冰，结冰区域的温度在短时间内会出现迅速变化，多数情况表现为温度上升斜率大，即结冰区域的温度变化量会超过预设温度变化量，进而将温度变化量作为反馈是否结冰的条件，从而得到结冰区域。
46.临界防冰状态为测温点所在的表面温度略高于临界防冰温度且没有结冰存在的状态。
47.通过控制温度测量区域130温度满足预设温度值，从而避免了非监测部110结冰对监测部120结冰的气流场的影响，保障非监测部110不结冰，避免由于非监测部110结冰造成的监测部120测量准确度的降低，提高了光纤结冰传感器100的测量精确度。
48.进一步的，步骤s30中控制所有测温点温度大于临界防冰温度的方法包括：当所述测温点温度小于等于临界防冰温度时，提升所述测温点的防冰功率，直至所有测温点温度
均大于临界防冰温度。
49.临界防冰温度是指在结冰环境中非监测部110表面实现防冰除冰的临界温度，通常的临界防冰温度为0℃，当压力等条件变化时临界防冰温度也可能发生变化。因此，达到临界防冰温度，即实现了防冰保护。
50.当测温点131温度小于等于临界防冰温度时，表明所述测温点131所在的表面存在结冰，此时通过提升所述测温点131的防冰功率促使表面的结冰掉落，当表面结冰掉落之后，测温点131温度将大于等于临界防冰温度，表明此时的防冰功率合适。
51.进一步的，判断测温点131温度是否大于临界防冰温度之前还包括步骤s31：当测温点131的时域温度变化量大于预设温度变化量时，提升所述测温点131的防冰功率；当测温点131的时域温度变化量小于预设温度变化量时，保持防冰功率。
52.时域温度变化量用于表示测温点的温度数据出现短时变化的现象。如当预设时间为1秒，预设温度变化量为3时，测温点131在第1秒的温度值为0℃，在第2秒的温度值为4℃，则测温点131的时域温度变化量为（4-0）/1=4。此时，时域温度变化量大于预设温度变化量，则控制系统判断测温点131处存在结冰，并向测温点131对应的加热区域发出提高防冰功率的指令，直至测温点131的时域温度变化量小于预设温度变化量。
53.通过当测温点131的时域温度变化量大于预设温度变化量时，增大防冰功率，实现了对结冰区域的准确判断，并对得到的结冰区域进行精确的防冰除冰。
54.进一步的，所述结冰信息包括结冰厚度、结冰类型、覆冰面积，通过建立所述结冰厚度、所述结冰类型、所述覆冰面积与所述防冰功率之间的函数关系式，获得防冰功率，所述函数关系式为p
de-icing
=f（d
ice
，c
ice
，,a
ice
），其中，d
ice
为冰厚、c
ice
为冰型、a
ice
为覆冰面积。
55.测温系统得到非监测部110表面分布的温度点的温度信息，并反馈给数据处理系统；结冰监测系统反馈光纤结冰传感器100的结冰信息，包括冰厚、冰型、覆冰区域等数据；数据处理系统根据温度、结冰信息调控防冰系统；防冰系统改变防冰功率，并作用于加热元件，使得防冰功率能够根据表面结冰的具体情况实现精确地调整，改变非监测部110的表面温度和结冰状态，使得非监测部110表面达到临界防冰状态。
56.所述函数关系式可通过基于大数据的方式，在机器学习后建立数据模型，从而得到具体的函数关系式，即不同的数据在机器学习之后可能产生不同的函数关系式。机器学习是一门多领域交叉学科，涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、算法复杂度理论等多门学科。专门研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能。
57.本发明提供的光纤结冰传感器、系统和方法，通过控制非监测部110表面温度位于临界防冰温度附近，避免了由于非监测部110表面温度超过临界防冰温度太多带来的非监测部110附近温度场的变化，从而有效降低了非监测部110表面温度场变化对监测部120表面的温度场的影响，进而提高了光纤结冰传感器100的测量精度，优化了防冰系统的资源利用率。
58.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。