旋轉物表面結冰激光探測器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種旋轉物表面結冰激光探測器，包括信號發生器、激光驅動器、激光探頭、光電探測器、信號預處理單元、信號處理單元和告警電路，所述信號發生器連接所述激光驅動器，與所述激光驅動器相連的所述激光探頭其包括激光器、濾光片、接收光纖束和熱保護組件，所述接收光纖束以所述激光器為軸心環繞布置，所述濾光片位于接收光纖束和所述激光器的頂端，所述接收光纖束的外側設有所述熱保護組件，所述接受光纖束連接所述光電探測器。本實用新型以非接觸方式直接探測被測物表面結冰狀態和范圍，避免了可動部件測量信號的傳遞，適用于對直升機旋翼及其它旋轉物體表面結冰狀況進行實時探測。
【專利說明】旋轉物表面結冰激光探測器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種探測器，特別涉及為旋轉物表面結冰激光探測器，用于對直升機旋翼及其它旋轉物體表面結冰狀況進行實時探測。
【背景技術】
[0002]目前國外用于直升機旋翼結冰的方法主要有以下五種:(I)直升機旋翼結冰被動式紅外探測方法通過紅外探測器來探測過冷水滴在直升機旋翼表面結冰時釋放出的熱量，得到相應的直升機旋翼結冰信息。該方法要求高靈敏度的紅外探測器，這樣不但紅外探測器價格昂貴，而且紅外探測器很容易受到外界環境的干擾，影響測量結果。(2)基于時域反射的直升機旋翼結冰探測法是在直升機旋翼表面展向方向粘連一根傳輸導線，并在傳輸導線發射一個電磁脈沖，此電磁脈沖沿著傳輸導線傳播，在傳輸導線阻抗發生變化的地方發生反射，由于冰和空氣不同的介電特性得到不同的反射波形，從而推求直升機旋翼表面結冰的變化情況。(3)英國普萊西(Plessey)航空電子公司于上個世紀八十年代的發明結冰探測器，是通過探測外界的環境溫度、大氣壓強和液態水含量作為結冰強度的度量標準。上述方法(2)和(3)都須接觸冰表面，采用接觸式方法測量。(4)聲表面波法利用聲表面波在傳播過程中受到介質的材料參數和介質層厚度的影響，其頻移或者相變的形式會發生改變的原理獲得結冰信息。但是此方法容易受旋翼表面積水和環境溫度變化的影響，還未見其實際應用的報導。
[0003]現有技術中關于直升機旋翼結冰探測技術，總體形勢比較落后，非接觸式探測結冰裝置的成本大，準確率低。
實用新型內容
[0004]本實用新型提出一種旋轉物表面結冰激光探測器裝置，采用非接觸方式避免了可動部件測量信號的傳遞，適用于對直升機旋翼及其它旋轉物體表面結冰狀況進行實時探測。安裝方便，確保不破壞直升機旋翼及旋轉物體結構，同時信號傳遞無需通過集流環。
[0005]本實用新型的技術方案是這樣實現的:
[0006]旋轉物表面結冰激光探測器，包括信號發生器、激光驅動器、激光探頭、光電探測器、信號預處理單元、信號處理單元和告警電路，所述信號發生器連接所述激光驅動器，與所述激光驅動器相連的所述激光探頭包括激光器、濾光片、接收光纖束和熱保護組件，所述接收光纖束以所述激光器為軸心環繞布置，所述濾光片位于所述接收光纖束和所述激光器的頂端，所述接收光纖束的外側設有所述熱保護組件，所述接收光纖束連接所述光電探測器。所述激光探頭主要用于向旋轉物表面發射激光，旋轉物表面反射激光到所述光電探測器。
[0007]進一步，所述信號預處理單元包括依次連接的放大器、增益放大器、同步積分器，所述放大器連接所述光電探測器，所述同步積分器連接所述信號處理單元，所述信號預處理單元接收所述光電探測器發出的信號并將該信號放大轉化成兩路高信噪比的脈沖信號。[0008]進一步，所述信號處理單元包括分別與所述同步積分器相連的高門限比較器和低門限比較器、高門限展寬器、低門限展寬器和信號處理器，所述高門限比較器與所述高門限展寬器連接，所述低門限比較器與所述低門限展寬器連接，所述高門限展寬器和所述低門限展寬器分別連接所述信號處理器，所述信號處理單元接收所述信號預處理單元發出的兩路高信噪比的脈沖信號，一路經所述低門限比較器和所述低門限展寬器輸出給所述信號處理器，用于判別旋轉物表面經過探頭上方的渡越時間，另一路經所述高門限比較器和所述高門限寬展器輸出給所述信號處理器。
[0009]進一步，所述告警電路包括告警繼電器、告警通訊接口和告警指示燈，所述告警繼電器與所述信號處理器相連，所述告警電路接受所述信號處理器輸出的信號，判斷結冰范圍是否大于設定值，從而發出告警信號。
[0010]進一步，所述熱保護組件包括溫度傳感器、絕熱襯墊、熱保護罩、溫度控制器和加熱泵，所述溫度傳感器設在所述接收光纖束外側，所述溫度傳感器周圍粘貼所述絕熱襯墊，在所述激光器、所述濾光片、所述接收光纖束的外部安放有所述熱保護罩，所述溫度傳感器連接所述溫度控制器，所述溫度控制器連接所述加熱泵。
[0011]所述信號發生器通過所述激光驅動器驅動所述激光探頭產生射向旋轉物表面的激光脈沖，并發出參考信號給所述信號預處理單元，發送中斷信號給所述信號處理器，光電探測器接收旋轉物表面返回的光信號，將其轉化為電信號，電信號經過所述信號與處理單元放大和提高信噪比，分為兩路:第一路經過所述高門限比較器和所述高門限展寬器到達所述信號處理器，所述信號處理器依據第一路信號判別旋轉物表面沿弦向的結冰分布范圍；第二路經過所述低門限比較器和所述低門限展寬器到達所述信號處理器，所述信號處理器依據第二路信號判別旋轉物表面經過所述光電探測器探頭上方的渡越時間；所述信號處理器依據兩路信號的判別結果產生結冰告警信號兵輸出給所述告警電路。
[0012]本使用新型的有益效果:以非接觸方式直接探測直升機旋翼及其它旋轉物體表面的結冰狀態和范圍，通過發射小功率激光到被測旋轉物表面，物體表面結冰部位因吸收造成反射光強度發生變化，實時探測接收光強度的變化即可探測結冰的狀態信息，同時通過實時測量結冰部位的渡越時間，可判斷結冰部位沿弦向的分布范圍。采用非接觸方式避免了可動部件測量信號的傳遞，適用于對直升機旋翼及其它旋轉物體表面結冰狀況進行實時探測。安裝方便，確保不破壞直升機旋翼及旋轉物體結構，同時信號傳遞無需通過集流環。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0014]圖1為本實用新型的系統結構圖。
[0015]圖2為激光探頭結構示意圖。
[0016]圖3為激光探頭端面圖。
[0017]圖4為雙閾值比較器輸出信號圖。
[0018]圖5為雙閾值比較展寬輸出信號圖。[0019]圖中，1、激光驅動器，2、激光器，3、光電探測器，4、放大器，5增益放大器，6、同步積分器，7、高門限比較器，8.低門限比較器，9.高門限展寬器，10、低門限展寬器，11、信號處理器，12、信號發生器，13、告警繼電器，14、告警通訊接口，15、告警指示器，16、濾光片，17、接收光纖束，18、溫度傳感器，19、絕緣襯墊，20、熱保護罩，21、溫度控制器，22、加熱泵。
【具體實施方式】
[0020]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0021]參照圖1至圖3，旋轉物表面結冰激光探測器，包括信號發生器12、激光驅動器1、激光探頭、光電探測器3、信號預處理單元、信號處理單元和告警電路，信號發生器12連接激光驅動器1，與激光驅動器I相連的激光探頭其包括激光器2、濾光片16、接收光纖束17和熱保護組件，接收光纖束17以激光器2為軸心環繞布置，濾光片17位于接收光纖束17和激光器2的頂端，接收光纖束17的外側設有所述熱保護組件，接收光纖束17連接光電探測器3。
[0022]信號預處理單元包括依次連接的放大器4、增益放大器5、同步積分器6，放大器4連接光電探測器3。
[0023]信號處理單元包括分別與同步積分器6相連的高門限比較器7和低門限比較器8以及高門限展寬器9、低門限展寬器10和信號處理器11，高門限比較器7與高門限展寬器9連接，低門限比較器8與低門限展寬器10連接，高門限展寬器9和低門限展寬器10分別連接信號處理器11，信號處理單元接收信號預處理單元發出的兩路高信噪比的脈沖信號，一路經低門限比較器7和低門限展寬器9輸出給11信號處理器，用于判別旋轉物表面經過探頭上方的渡越時間，另一路經高門限比較器7和高門限寬展器9輸出給信號處理器11。
[0024]告警電路包括告警繼電器13、告警通訊接口 14和告警指示燈15，告警繼電器13與信號處理器14相連，告警電路接受信號處理器11輸出的信號，如果大于設定值則發出告警信號。
[0025]熱保護組件安裝于激光探頭的外側，熱風通過熱保護組件引導到濾光片16外表面，可避免激光探頭結冰。熱保護組件包括溫度傳感器18、絕熱襯墊19、熱保護罩20、溫度控制器21和加熱泵22，溫度傳感器18嵌入激光探頭的金屬結構內，靠近接收光纖束17外偵牝其周圍粘貼絕熱襯墊19，絕熱襯墊19外圍通熱保護的空氣，在激光器2、濾光片1、接收光纖束17的外部安放有防止其溫度過低而結冰的熱保護罩20，溫度傳感器18連接溫度控制器21，溫度控制器21連接加熱泵22。當溫度傳感器18探測的激光探頭前端溫度低于某一溫度時，有溫度控制器21自動控制加熱泵22，以加熱空氣并吹過激光探頭于表面，避免激光探頭表面結冰。
[0026]圖4為經過激光探頭上方的旋轉物體表面結冰和非結冰時，高門限比較器7和低門限比較器8的輸出脈沖信號示意圖。只要旋轉物表面經過激光探頭上方，低門限比較器8的輸出就存在脈沖信號，否則輸出低電平信號；只要旋轉物表面非結冰部位經過激光探頭上方，高門限比較器7的輸出就存在脈沖信號，否則輸出低電平信號。[0027]圖5為經過激光探頭上方的旋轉物體表面結冰和非結冰時，高門限展寬器9和低門限展寬器10的輸出信號示意圖。低門限展寬器10輸出信號特征為:無論結冰與否，當旋翼或旋轉物體表面經過探頭上方時，輸出信號為高電平；當旋翼或旋轉物體離開探頭上方時，輸出信號為低電平。高門限展寬器9輸出信號特征為:當帶有結冰部位的旋翼或旋轉物體表面經過探頭上方時，輸出信號為高電平；當帶有結冰部位的旋翼或旋轉物體表面離開探頭上方時，輸出信號為低電平。
[0028]其中，放大器4采用低噪聲放大器，并獨立屏蔽；增益放大器5的增益，由信號處理器11根據低門限比較器8的輸出來設定與改變，如果在有限的時間內低門限比較器8無高電平輸出，則增加增益放大器5的增益；高門限展寬器9和低門限展寬器10，均是展寬器，只是其輸入信號分別來自高門限比較器7和低門限比較器8的輸出；高門限比較器7和低門限比較器8是兩個直流電平，當同步積分器6輸出脈沖的幅值大于低門限電平時，低門限比較器8輸出相同的脈沖，否則低門限比較器8輸出低電平；當同步積分器6輸出脈沖的幅值大于高門限電平時，高門限比較器7輸出相同的脈沖，否則高門限比較器7輸出低電平；高門限電平的直流電壓值高于低門限電平的直流電壓值。高門限電平、低門限電平通過試驗確定，設旋轉物未結冰表面經過激光探頭上空對應同步積分器6輸出脈沖的幅值為VI，旋轉物結冰表面經過激光探頭上空對應同步積分器6輸出脈沖的幅值為V2，旋轉物表面未經過激光探頭上空對應同步積分器6輸出脈沖的幅值為V3，則高門限電平設定于Vl和V2之間，低門限電平設定于V2和V3之間。
[0029]本實用新型的工作原理:由信號發生器產生方波，除通過激光驅動器驅動激光器產生激光脈沖以外，同時作為參考信號給同步積分器、作為中斷信號給信號處理器。當無結冰發生時，發射光通過激光探頭射向旋翼或旋轉物體表面，并反射回較強的反射光，光電探測器可以探測到相對較強的光信號。當旋轉物體探測表面有結冰時，該波長下的發射光被冰層吸收一部分，反射回相對較弱的反射光，光電探測器探測到相對較弱的光信號。光電探測器將光信號轉換成電信號，經放大器、增益放大器放大，由同步積分器進行相關運算后輸出兩路高信噪比的脈沖信號，一路經低門限比較器和低門限展寬器的輸出可提供給數字信號處理器，用于判別旋轉物表面經過探頭上方的渡越時間；另一路經高門限比較器和高門限展寬器的輸出可提供給信號處理器，用于判別旋轉物表面沿弦向的結冰分布范圍。當判斷的結冰范圍大于設定值時，由信號處理器輸出結冰告警信號，并通過由告警繼電器、告警通訊接口和告警指示器構成的告警電路輸出結冰告警信號。
[0030]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.旋轉物表面結冰激光探測器，包括信號發生器、激光驅動器、激光探頭、光電探測器、信號預處理單元、信號處理單元和告警電路，其特征在于:所述信號發生器連接所述激光驅動器，與所述激光驅動器相連的所述激光探頭包括激光器、濾光片、接收光纖束和熱保護組件，所述接收光纖束以所述激光器為軸心環繞布置，所述濾光片位于所述接收光纖束和所述激光器的頂端，所述接收光纖束的外側設有所述熱保護組件，所述接收光纖束連接所述光電探測器。
2.如權利要求1所述旋轉物表面結冰激光探測器，其特征在于:所述信號預處理單元包括依次連接的放大器、增益放大器、同步積分器，所述放大器連接所述光電探測器，所述同步積分器連接所述信號處理單元。
3.如權利要求2所述旋轉物表面結冰激光探測器，其特征在于:所述信號處理單元包括分別與所述同步積分器相連的高門限比較器和低門限比較器、高門限展寬器、低門限展寬器和信號處理器，所述高門限比較器與所述高門限展寬器連接，所述低門限比較器與所述低門限展寬器連接，所述高門限展寬器和所述低門限展寬器分別連接所述信號處理器。
4.如權利要求3所述旋轉物表面結冰激光探測器，其特征在于:所述告警電路包括告警繼電器、告警通訊接口和告警指示燈，所述告警繼電器與所述信號處理器相連。
5.根據權利要求1所述的旋轉物表面結冰激光探測器，其特征在于，所述熱保護組件包括溫度傳感器、絕熱襯墊、熱保護罩、溫度控制器和加熱泵，所述溫度傳感器設在所述接收光纖束外側，所述溫度傳感器周圍粘貼所述絕熱襯墊，在所述激光器、所述濾光片、所述接收光纖束的外部安放有所述熱保護罩，所述溫度傳感器連接所述溫度控制器，所述溫度控制器連接所述加熱泵。
【文檔編號】B64D15/20GK203461136SQ201320365014
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年6月24日 優先權日:2013年6月24日
【發明者】張 杰, 胡青 申請人:武漢海桑科技有限責任公司