用于監控飛機表面上的物質積累的裝置和方法
【專利摘要】一種監控飛機的外表面上的物質積累的方法，包括向飛機表面施加變化電場，以及傳感器監控器接收對飛機表面的溫度和由變化電場在電場傳感器單元中感應的電流的相位和幅度的測量的時間序列。電場傳感器單元是貼近飛機表面安裝的。所述測量的時間序列根據飛機表面上的物質的即時積累發生變化。傳感器監控器根據所述測量的時間序列與至少一個預先確定的物質積累簡檔的相關來生成對飛機表面上的物質積累的評估。每個預先確定的物質積累簡檔包括電流相位、電流幅度和溫度的測量的相應時間序列。
【專利說明】用于監控飛機表面上的物質積累的裝置和方法
[0001]相關申請
[0002]本專利申請要求享有于2012年I月6日提交的題為“Apparatus and Method ofMonitoring In-Fl ight Super-Cooled Large Water Droplet Accumulation，，的美國專利申請序列號N0.61/583，838的提交日期的權益。
【技術領域】
[0003]本專利申請涉及用于監控飛機的外表面上的物質積累的機制。特別地，本專利申請描述了用于監控飛機外表面上的冰和水的積累的方法和系統。
【背景技術】
[0004]凍雨或微凍雨(freezing drizzle)能夠在飛機飛行時在機翼的上表面上產生冰的不規則體。冰的不規則體會導致飛機失去控制，尤其是所述不規則體形成在前(leading)邊緣保護設備(例如除冰罩)之后以及控制表面(例如副翼)之前的情況下更是如此。由于在飛行過程中接觸過冷的大水滴而導致的在關鍵的飛機表面上的冰積累在一些情況中可能會引起功率損耗和引擎損壞。從而，飛機監管機構建議制造商需要證明它們的飛機能夠在凍雨/微凍雨和混合水/冰結晶大氣狀況中安全運行，包括警告機組人員在關鍵的飛機表面上存在過冷大水滴的積累。
【發明內容】
[0005]在一個方面，本專利申請描述了一種監控飛機的外表面上的物質積累的方法。所述方法包括向飛機表面施加變化電場，以及傳感器監控器接收對飛機表面的溫度和由變化電場在電場傳感器單元中感應的電流的相位和幅度的測量的時間序列。電場傳感器單元是貼近飛機表面安裝的。
[0006]所述測量的時間序列根據飛機表面上的物質的即時積累發生變化。傳感器監控器根據所述測量的時間序列與至少一個預先確定的物質積累簡檔的相關來生成對飛機表面上的物質積累的評估。每個預先確定的物質積累簡檔包括電流相位、電流幅度和溫度的測量的相應時間序列。
[0007]在另一方面，本專利申請描述了一種包括電場傳感器單元和傳感器監控器的物質積累監控系統。電場傳感器單元被配置為向飛機表面施加變化的電場。傳感器監控器與電場傳感器單元進行通信，并且被配置為接收對飛機表面的溫度和由變化電場在電場傳感器單元中感應的電流的相位和幅度的測量的時間序列。所述測量的時間序列根據飛機表面上的物質的即時積累發生變化。
[0008]傳感器監控器還被配置為根據所述測量的時間序列與至少一個預先確定的物質積累簡檔的相關來生成對飛機表面上的物質積累的評估。每個預先確定的物質積累簡檔包括電流相位、電流幅度和溫度的測量的相應時間序列。
[0009]傳感器監控器還可被配置為根據所述關聯的結果觸發警報。電場傳感器單元可包括電場傳感器以及耦合到電場傳感器的傳感器處理單元，以及傳感器處理單元可被配置為通過周期性地監控由電場傳感器感應的電流信號的幅度來生成相位和幅度的測量。
[0010]在一種實施中，電場傳感器包括絕緣基底、布置在基底上的多個非接觸電極、以及耦合到所述電極并橫向延伸通過基底的多個導體。非接觸電極可包括第一電極部分和與第一電極部分交錯的第二電極部分，以及導體可包括第一導體部分和第二導體部分，導體的第一部分耦合到第一電極部分，導體的第二部分耦合到第二電極部分。優選的，將電極彼此平行的布置在基底上，以及導體包括以直角延伸到電極的通路(via)。
[0011]預先確定的物質積累簡檔的測量可與冰的積累相關聯，以及傳感器監控器可被配置為與飛機表面上的冰的積累實質上實時地生成評估。預先確定的物質積累簡檔的測量可與飛機飛行時過冷大水滴的積累相關聯，以及傳感器監控器可被配置為與飛機表面上的過冷大水滴的積累實質上實時地生成評估。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]現在將參考附圖，通過只是示例的方式對上述各個方面進行描述，其中:
[0013]圖1是物質積累監控系統的示意視圖，其中描繪了電場傳感器單元和傳感器監控器；
[0014]圖2a是圖2a中描繪的電場傳感器的俯視圖；
[0015]圖2b和2c是電場傳感器的橫截面視圖；
[0016]圖3是傳感器監控器的結構的示意視圖；以及
[0017]圖4是描繪了物質積累監控系統的操作方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]1.物質積累監控系統:概沭
[0019]參見圖1，其中示出了被一般性地標示為100的物質積累監控系統，其中包括一個或多個電場傳感器單元200、傳感器監控器300以及將電場傳感器單元200和傳感器監控器300互連的局域網102。
[0020]2.電場傳感器單元
[0021]將每個電場傳感器單元300貼近飛機的外表面布置在飛機外表面的各個區域處，以便對飛機表面的各個區域的物質積累進行監控。優選地，將被監控的物質是冰，并且電場傳感器單元200中的一個或多個被安裝在飛機的外表面上易于積累冰的區域。備選地，將被監控的物質是過冷大水滴(SLD)，并且電場傳感器單元200中的一個或多個位于飛機中易于在飛機飛行時發生SLD積累的區域。
[0022]典型地，飛機裝有多個電場傳感器單元200。為了在飛行時對期望物質進行監測和監控而在飛機上適當的位置安放電場傳感器單元200屬于本領域技術人員的知識范圍之內。例如，LEWICE 冰堆積仿真工具(http://spinoff.nasa.gov/Spinoff2011/ps_2.html)能被用來對為了檢測寬范圍的飛行結冰狀況(包括過冷大水滴的積累)而對任何機翼表面上的傳感器的安放進行優化所需的冰堆積簡檔進行建模。通過實驗，還可預料到本領域普通技術人員能夠確定電場傳感器單元200的適當放置，以便在飛機在地面上時檢測冰積累。[0023]如圖1所示，優選地，每個電場傳感器單元200包括電場傳感器202、溫度傳感器203以及耦合到電場傳感器202和溫度傳感器203的傳感器處理單元(SPU) 204。可替換地，電場傳感器單元200可包括多個電場傳感器202、多個溫度傳感器203以及耦合到電場傳感器202和溫度傳感器203的SPU204。
[0024]每個電場傳感器202在飛機的外表面處生成變化的局部電場，以及相關聯的變化的局部電場在電場傳感器202中感應電流。所感應的電流的幅度和相位隨著由電場傳感器202建立的電場內的物質的特性發生變化。溫度傳感器203監控飛機表面的各個區域的溫度。從而，電場傳感器202和溫度傳感器203 —起提供指示飛機表面上的物質積累的周期性數據樣本。如上所述，雖然電場傳感器單元200被放置為在飛機飛行時檢測物質積累，但還應預料到的是，電場傳感器單元200可被放置為當飛機在地面上時檢測物質積累(特別是冰的積累)。從而當飛機飛行時或飛機在地面上時，都可生成局部電場并檢測所感應的電流。
[0025]如圖2a、2b和2c所示，每個電場傳感器202包括絕緣基底206、布置在基底206上的多個電極208以及向下延伸通過基底206的多個通路210。優選地，基底206包括非導電材料，比如陶瓷，但是其他非導電材料也可被使用。同樣，優選地，電極208基本上是平面的，且使用常規印刷電路板或集成電路制造技術形成于基底206上。電極208以實質上平行的方式延伸跨過基底206的上表面，以使得電極208在基底206的上表面上不彼此接觸。
[0026]電極208被隔離成第一電極部分208a和第二電極部分208b。第一電極部分208a的電極208延伸自基底206的一端212a，以及第二電極部分208b的電極208延伸自基底206的相對端212b。在基底206的上表面的中心區域214中，第一電極部分208a的電極208與第二電極部分208b的電極208交錯。
[0027]典型地，每個通路210包括從相應的電極208的一端通過基底206延伸到傳感器202的底部218的電鍍通孔。可替換地，通路210可以被提供為以類似方式延伸的導電路線(trace)或電線。通路210被隔離成第一通路部分210a和第二通路部分210b。第一通路部分210a的通路210耦合到第一電極部分208a，以及第二通路部分210b的通路210耦合到第二電極部分208b。每個通路210在相應的端212附近連接到相應的電極208，并以直角從電極208延伸通過基底206，從其上表面延伸到其下表面218。使用這一配置，電場傳感器202對位于中心區域214之外的電場的敏感度要小于常規的電場傳感器。
[0028]電場傳感器202優選地還包括布置在電極208之上的絕緣層216。典型地，絕緣層216包括陶瓷或玻璃,但是由于硬度的原因,氧化招陶瓷(ceramic alumina)是優選的。
[0029]優選地，每個溫度傳感器203被加入到相關聯的電場傳感器202的基底206中，并且包括延伸通過基底206直到下表面218的通路210。可替換地，溫度傳感器203可被布置在與相關聯的電場傳感器202的基底206分離的基底中，并且可包括延伸通過其基底直到其下表面的通路210。
[0030]傳感器處理單元(SPU) 204包括連接到相關聯的電場傳感器202和溫度傳感器203的通路210的數據總線。可替換地，在電場傳感器單元200包括多個電場傳感器202的情況下，SPU204可包括多個數據總線，每一個數據總線連接到電場傳感器202/溫度傳感器203中的相應的一個的通路210。
[0031]每個通路210在傳感器202的底部216連接到數據總線的相應導體。優選地，SPU204包括模擬信號生成器,所述模擬信號生成器向相關聯的電場傳感器202的各個電極部分208施加正弦電壓信號,其中施加到第一電極部分208a的電壓信號優選地與施加到第二電極部分208b的電壓信號互補(即相位差180度)。
[0032]SPU204包括內部A/D轉換器，所述A/D轉換器在測量時間段期間周期性地對從相關聯的電場傳感器202接收的電流樣本和從相關聯的溫度傳感器203接收的溫度樣本進行數字化。SPU204還包括信號處理器，所述信號處理器使用數字化的電流測量樣本和數字化的溫度測量樣本來創建數據分組序列，其中，優選地，SPU204實質上實時地將所創建的數據分組序列輸出到傳感器監控器300。
[0033]優選地，每個數據分組包括測量數據集的序列。每個測量數據集包括幅度測量和相位測量。優選地，SPU204通過將在相關聯的電場傳感器202中感應的電流的幅度和相位分別與所施加的傳感器電壓的幅度和相位進行參照來從數字化的電流測量樣本導出幅度和相位測量。從而，幅度測量實際上是導納測量。然而，為了參照簡便起見，下文中將幅度(導納)測量稱作電流幅度測量；以及下文中將相位測量稱作電流相位測量。
[0034]除了幅度和相位測量之外，優選地，每個測量數據集包括數字化的溫度測量，所述數字化的溫度測量是與相關聯的數字化的電流測量樣本在同一時間采樣的。每個數據分組還可標識對包括在數據分組中的電流幅度、電流相位和溫度測量進行獲取的時間間隔。
[0035]如上所述，A/D轉換器向信號處理器提供在相關聯的電場傳感器202中感應的電流和由相關聯的溫度傳感器203測量的溫度的周期性樣本。發明人已經確定:幅度、相位和溫度的測量的值，以及這些值在連續測量之間的變化性(例如改變率、波動范圍)隨著飛機外表面上的物質積累的特性而變化。例如，發明人已經確定:與飛行冰的積累相比，測量值在連續測量數據集之間隨飛行水的積累的變化要大得多。因此，為了促進對飛機外表面上積累的不同物質之間的區分，SPU204向傳感器監控器300提供電流幅度、電流相位、以及溫度的測量的時間序列。如將要討論的，傳感器監控器300使用數據分組中包括的電流幅度、電流相位以及溫度的測量的時間序列來生成對積累的物質的實質上實時的評估。
[0036]3.傳感器監控器
[0037]傳感器監控器300經由局域網102耦合到SPU204。如圖3所示，傳感器監控器300可被配置為計算設備，包括非易失性存儲器(ROM) 302、易失性存儲器(RAM) 304、監控器接口 306和耦合到R0M302、RAM304和監控器接口 306的中央處理單元(CPU) 308。監控器接口 306可將傳感器監控器300與飛機駕駛艙的儀表接口連接，由此向飛行員提供對飛機外表面上的物質積累的實質上實時的評估。
[0038]R0M302可被提供為電子存儲器、磁盤和/或光盤，并且包括具有一個或多個預先確定的物質積累簡檔的簽名數據庫350。每個預先確定的物質積累簡檔與所積累的物質的特殊特性(例如厚度、物質類型)相關聯，并且包括電流相位、電流幅度和溫度的測量的相應時間序列。由于可在飛機飛行時或在地面上時向飛機表面施加電場，所以每個預先確定的物質積累簡檔典型地代表飛機飛行時針對特殊物質特性的電流相位、電流幅度和溫度的測量，或飛機在地面上時針對特殊物質特性的電流相位、電流幅度和溫度的測量。每個物質積累簡檔中的電流相位、電流幅度和溫度的測量的時間序列可通過實驗和/或經由計算機建模而預先確定，并且在將傳感器監控器300安裝到飛機中之前被存儲在R0M302中。
[0039]R0M302還包括針對傳感器監控器300的處理指令，這些處理指令當被加載到RAM304中并由CPU308執行時限定簽名監控器310，所述簽名監控器310被配置為周期性地向SPU204發出讀取命令，請求來自SPU204的數據分組。如上所述，每個數據分組包括測量數據集的時間序列，每個測量數據集包括在電場傳感器單元200中感應的電流的相位、所感應的電流的幅度以及飛機的外表面的溫度。簽名監控器310還被配置為:根據所接收的測量數據集的時間序列和預先確定的物質積累簡檔之間的相關，實質上實時地生成對飛機外表面上的即時物質積累的評估。
[0040]如上所述，簽名監控器310可被實施為計算機處理指令的集合。然而，簽名監控器310的實施并不限于此，作為代替，其可被實施于電子硬件中，比如經由例如可編程邏輯控制器來實施。
[0041]4.SLD監控系統:操作方法
[0042]現在參考圖4描述物質積累監控系統100的操作方法。
[0043]在步驟S400，物質積累監控系統100向飛機表面施加變化電場。為了這樣做，SPU204可向相關聯的電場傳感器202的電極部分208施加正弦電壓信號,其中施加到第一電極部分208a的電壓信號與施加到第二電極部分208b電壓信號相差180度相位。可替換地，作為經由電場傳感器202生成交變電場的替代，監控系統100可包括安裝到飛機表面上的專用電場生成器，并向飛機表面施加交變電場。
[0044]在步驟S402，傳感器監控器300接收測量數據集的時間序列，每個測量數據集包括在電場傳感器單元200中感應的電流的相位和幅度以及飛機外表面的溫度。為了這樣做，SPU204可周期性地對在相關聯的電場傳感器202中感應的電流進行采樣，周期性地對由相關聯的溫度傳感器203測量的溫度進行采樣，以及從接收的數據樣本組成測量數據集的時間序列。簽名監控器310可周期性地向SPU204發出讀取命令，請求來自傳感器處理單元204的測量數據集。可替換地，SPU204可周期性地向簽名監控器310傳送測量數據集，而不必等待來自簽名控制器310的讀取命令。如上所述，測量數據集中的值以及這些值在連續的測量數據集之間的變化性將根據飛機的外表面上積累的物質的特性發生變化。
[0045]在步驟S404，傳感器監控器300生成對飛機表面上積累的物質的評估(例如厚度、物質類型)。為了這樣做，簽名監控器310可使用來自所接收的測量數據集中的一個或多個的測量的時間序列對簽名數據庫350進行查詢，以及根據測量的時間序列和簽名數據庫350中存儲的預先確定的物質積累簡檔之間的相關來生成評估。如上所述，每個預先確定的物質積累簡檔與積累的物質的特殊特性(例如厚度、物質類型)相關聯。在所接收的測量的時間序列與特定的物質積累簡檔相關得很好的情況下，傳感器監控器300可以根據所定位的物質積累簡檔的特性來生成評估。
[0046]然而，飛機將典型地被安裝多個電場傳感器單元200，每個電場傳感器單元200位于飛機外表面的各個區域。從而，傳感器監控器300可通過使用從多個電場傳感器單元200接收的測量數據集查詢簽名數據庫350來生成評估，以及根據所接收的測量數據集和多個預先確定的物質積累簡檔之間的相關來生成評估。在這種變形中，評估可包括來自各個物質積累簡檔的特性。
[0047]之后，傳感器監控器300可將評估的結果傳送到飛機駕駛艙，以便在駕駛艙儀表上顯示。作為替換或補充，舉例來講，如果所確定的物質積累超出預先確定的處理限制，則傳感器監控器300可根據所述相關的結果發出自動控制動作(例如，觸發警報，調用飛機速度的降低)。
[0048]發明人已經從物質積累監控系統100中得到了未預料到的好結果。在進行于結冰隧道中的一系列實驗中，電場傳感器單元200安裝在飛機機翼的外表面上，并且飛機機翼被暴露于一系列測試條件下，這些測試條件覆蓋了以下范圍:具有從15微米到500微米的中值體積徑(median volumetric diameter)的滴尺寸，液態水含量約為0.35克/立方米，靜態溫度從0°C到_25°C，以及空氣速度約為170海里/小時。在這些條件下，物質積累監控系統100針對冰積累具有10-15秒的中值早檢測時間。此外，物質積累監控系統100能夠在冰凍沉淀和液態沉淀之間進行區分。考慮到在結冰狀況(不包括SLD)的有限集合之間進行區分的常規檢測系統的檢測時間在2到4分鐘之間，而新的傳感技術的檢測時間的產業目標是I分鐘，從而這些測試結果證明了檢測時間未預料到地好并且不能從可用的文獻中預測得到。
【權利要求】
1.一種監控飛機外表面上的物質的積累的方法，包括以下步驟: 向飛機表面施加變化電場； 傳感器監控器接收對所述飛機表面的溫度和由所述變化電場在電場傳感器單元中感應的電流的相位和幅度的測量的時間序列，所述電場傳感器單元是貼近所述飛機表面安裝的，所述測量的所述時間序列根據所述飛機表面上的物質的即時積累發生變化；以及 所述傳感器監控器根據所述測量的所述時間序列與至少一個預先確定的物質積累簡檔的相關來生成對所述飛機表面上的所述物質的積累的評估，每個所述預先確定的物質積累簡檔包括電流相位、電流幅度和溫度的測量的相應時間序列。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括:所述傳感器監控器根據所述相關的結果觸發警報。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述電場傳感器單元包括電場傳感器和耦合到所述電場傳感器的傳感器處理單元，以及所述傳感器處理單元通過周期性地監控在所述電場傳感器中感應的電流信號的幅度來生成至少一個測量集。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述電場傳感器包括: 絕緣基底； 布置在所述基底上的多個非接觸電極；以及 耦合到所述電極并 橫向延伸通過所述基底的多個導體。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述非接觸電極包括第一電極部分和與所述第一電極部分交錯的第二電極部分，以及所述導體包括第一導體部分和第二導體部分，所述導體的所述第一部分耦合到所述第一電極部分，所述導體的所述第二部分耦合到所述第二電極部分。
6.根據權利要求5所述的方法，其中將所述電極彼此平行的布置在所述基底上，以及所述導體包括以直角延伸到所述電極的通路。
7.根據權利要求6所述的方法，還包括布置在所述電極之上的絕緣體。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述預先確定的物質積累簡檔的所述測量與冰的積累相關聯，以及所述傳感器監控器生成評估包括所述傳感器監控器與所述飛機表面上的冰的積累實質上實時地生成所述評估。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述預先確定的物質積累簡檔的所述測量與飛行中過冷大水滴的積累相關聯，以及所述傳感器監控器生成評估包括所述傳感器監控器與所述飛機表面上的過冷大水滴的積累實質上實時地生成評估。
10.一種物質積累監控系統，包括: 電場傳感器單元，被配置為向飛機表面施加變化電場；以及 與所述電場傳感器單元通信的傳感器監控器，所述傳感器監控器被配置為接收對所述飛機表面的溫度和由所述變化電場在所述電場傳感器單元中感應的電流的相位和幅度的測量的時間序列，所述測量的所述時間序列根據所述飛機表面上的物質的即時積累發生變化，所述傳感器監控器還被配置為根據所述測量的所述時間序列與至少一個預先確定的物質積累簡檔的相關來生成對所述飛機表面上的所述物質的積累的評估，每個所述預先確定的物質積累簡檔包括電流相位、電流幅度和溫度的測量的相應時間序列。
11.根據權利要求10所述的監控系統，其中所述傳感器監控器被配置為根據所述相關的結果觸發警報。
12.根據權利要求10所述的監控系統，其中所述電場傳感器單元包括電場傳感器和耦合到所述電場傳感器的傳感器處理單元，以及所述傳感器處理單元被配置為通過周期性地監控在所述電場傳感器中感應的電流信號的幅度來生成至少一個測量集。
13.根據權利要求12所述的監控系統，其中所述電場傳感器包括: 絕緣基底； 布置在所述基底上的多個非接觸電極；以及 耦合到所述電極并橫向延伸通過所述基底的多個導體。
14.根據權利要求13所述的監控系統，其中所述非接觸電極包括第一電極部分和與所述第一電極部分交錯的第二電極部分，以及所述導體包括第一導體部分和第二導體部分，所述導體的所述第一部分耦合到所述第一電極部分，所述導體的所述第二部分耦合到所述第二電極部分。
15.根據權利要求14所述的監控系統，其中將所述電極彼此平行的布置在所述基底上，以及所述導體包括以直角延伸到所述電極的通路。
16.根據權利要求15所述的監控系統，其中所述電場傳感器還包括布置在所述電極之上的絕緣體。
17.根據權利要求10所述的監控系統，其中所述預先確定的物質積累簡檔的所述測量與冰的積累相關聯，以及所述傳感器監控器被配置為與所述飛機表面上的冰的積累實質上實時地生成評估。
18.根據權利要求10所述的監控系統，其中所述預先確定的物質積累簡檔的所述測量與飛行中過冷大水滴的積累相關聯，以及所述傳感器監控器被配置為與所述飛機表面上的過冷大水滴的積累實質上實時地生成評估。
【文檔編號】G08B19/02GK104039651SQ201380004909
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年1月7日 優先權日:2012年1月6日
【發明者】斯圖爾特·因克蓬, 克里斯·諾蘭, 比爾·康威, 達娜·林菲爾德, 戴維·博奈爾, 喬書瓦·斯瓦達斯, 路斯·亞伯拉罕 申請人:因斯圖馬有限公司