中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001

一、引言

無(wú)論在氣象和道路結(jié)冰檢測(cè)等民用領(lǐng)域，還是在機(jī)翼及雷達(dá)表面結(jié)冰厚度檢測(cè)等軍用領(lǐng)域，結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)都有著廣泛的需求和應(yīng)用。

目前，現(xiàn)有的振管式結(jié)冰檢測(cè)傳感器產(chǎn)品穩(wěn)定性不高，冰層厚度測(cè)量精度低，甚至有些產(chǎn)品不具備冰層厚度測(cè)量能力，嚴(yán)重影響其實(shí)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(cè)量能力，就變得非常有必要。

本文通過(guò)對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)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(hào)；通過(guò)多項(xiàng)式目標(biāo)函數(shù)法，將被測(cè)頻率、環(huán)境溫度以及冰層厚度結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冰層厚度的準(zhǔn)確檢測(cè)。最終，使傳感器穩(wěn)定性大大提高，并實(shí)現(xiàn)對(duì)冰層厚度測(cè)量，誤差精度不小于0.15mm。

二、工作原理

振管式結(jié)冰檢測(cè)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(hào)，在激振線圈中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使磁致伸縮合金制成的振管在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁致伸縮振動(dòng)，最終使振管以諧振頻率振動(dòng)，再通過(guò)信號(hào)拾取線圈將振管的振動(dòng)頻率轉(zhuǎn)換為頻率電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理電路對(duì)振動(dòng)頻率的檢測(cè)。根據(jù)振動(dòng)學(xué)理論，當(dāng)包括振管在內(nèi)的傳感器探頭表面結(jié)有冰層時(shí)，振管的固有諧振頻率會(huì)隨著冰層的加厚而降低，因此通過(guò)檢測(cè)諧振頻率的偏移量Δf，就可以得出當(dāng)前冰層的厚度[1]。

三、傳感器設(shè)計(jì)優(yōu)化

1、傳感器電路部分優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，結(jié)冰檢測(cè)傳感器采用LC正弦波諧振電路來(lái)對(duì)振管進(jìn)行激振，其原理圖如圖2所示。這種電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要的電子元件少，但也存在以下兩個(gè)缺點(diǎn)：

（1）受加工裝配過(guò)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(dá)到最大，就必須調(diào)整每個(gè)激振電路中的容值和阻值，使得人力和時(shí)間成本變高；

（2）由于結(jié)冰檢測(cè)傳感器的使用環(huán)境普遍較為惡劣，容易受到?jīng)_擊和振動(dòng)的影響，長(zhǎng)期使用過(guò)程中，整體焊接封裝結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生細(xì)微的改變，導(dǎo)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(diǎn)問(wèn)題，本文將激振電路改為由單片機(jī)控制DDS芯片AD9850組成的掃頻電路。該電路可以自動(dòng)調(diào)整激振頻率，同時(shí)完成拾取頻率檢測(cè)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(shí)現(xiàn)全數(shù)字變編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。在接入精密時(shí)鐘源后，AD9850可產(chǎn)生一個(gè)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(shí)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(duì)應(yīng)的電路組件原理框圖如圖3所示[3]。

當(dāng)傳感器啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)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(hào)，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(chǎng)，當(dāng)激振信號(hào)頻率與振管諧振頻率重合時(shí)，則振管振幅達(dá)到峰值，信號(hào)拾取線圈將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，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(jī)，最終由單片機(jī)測(cè)得反饋信號(hào)頻率，進(jìn)行后續(xù)的邏輯運(yùn)算處理。

其中，在經(jīng)過(guò)初始化后，AD9850輸出的正弦波信號(hào)頻率為掃頻頻率的下限(f0-fT)，其中，f0為使用ANSYS軟件進(jìn)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(guò)程中模型的簡(jiǎn)化成都有關(guān)。若對(duì)模型過(guò)度簡(jiǎn)化，忽略的組件過(guò)多，則理論諧振頻率與實(shí)際諧振頻率的誤差將增大，此時(shí)fT應(yīng)適當(dāng)增大，根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)定。Δf的大小由AD9850的頻率控制字ΔFreq決定，最小可達(dá)到0.03Hz，當(dāng)然在實(shí)際使用過(guò)程中并不需要如此小的掃頻變化量，設(shè)定為10～20Hz即可滿足要求。

2、結(jié)冰厚度檢測(cè)

當(dāng)結(jié)冰檢測(cè)傳感器的振管表面結(jié)冰時(shí)，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(guò)，環(huán)境溫度的變化會(huì)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(wèn)題，以及在焊接組裝過(guò)程中受到的應(yīng)力影響，冰層厚度和頻率變化量并不是線性關(guān)系。

結(jié)冰檢測(cè)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(huì)有不同的輸出值。采用信息融合的處理方法，推導(dǎo)出傳感器輸出信號(hào)的最佳擬合表達(dá)式，得出融合了溫度測(cè)量結(jié)果的帶有溫度參數(shù)的頻率輸出解析表達(dá)式，進(jìn)而通過(guò)準(zhǔn)確的溫度測(cè)量實(shí)現(xiàn)高精度的結(jié)冰厚度檢測(cè)[4]。

結(jié)冰檢測(cè)傳感器的諧振頻率輸出信號(hào)Ft可以由兩部分組成：

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

h—與冰層厚度有關(guān)的有效信號(hào)。

又有下式：

其中，S—冰層厚度靈敏度，與傳感器的結(jié)構(gòu)、焊接工藝、振管結(jié)構(gòu)尺寸等因素有關(guān)；

S0—溫度為零度時(shí)的冰層厚度靈敏度；

αi—冰層厚度靈敏度溫度系數(shù)。

因?yàn)镾0為非線性函數(shù)，于是將h表示為f的冪級(jí)數(shù)，即有：

在滿足精度條件下取有限項(xiàng)n，結(jié)冰檢測(cè)傳感器校準(zhǔn)時(shí)由靜態(tài)特性可以測(cè)得m組h和f的數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)第i個(gè)測(cè)量值hi，fi，對(duì)應(yīng)式（4）的hi′計(jì)算值為：

使計(jì)算值hi′與各次測(cè)量值hi的偏差平方和最小，即有：

因?yàn)閕有n個(gè)有限值，因此由式（6）可得n個(gè)線性方程。式（6）對(duì)αi求導(dǎo)后，得：

當(dāng)解出n個(gè)有限的αi值：α0、α1…αj…αn后，帶入式（4）可得hi(fi)的計(jì)算值。由i=1，2……n個(gè)hi′的計(jì)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(gè)αi值已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)要求，于是可用式（7）表示h-f之間的顯示關(guān)系。若σ〉σ0，則說(shuō)明未達(dá)到目標(biāo)要求，此時(shí)重新令hi(fi)多項(xiàng)式中再增加n+1 項(xiàng)，重新計(jì)算α0、α1…αj…αn+1各系數(shù)，直到達(dá)到目標(biāo)要求為止。

四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1、穩(wěn)定性試驗(yàn)

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

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，可以看出兩個(gè)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(hào)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(hào)波形和幅值變化極小。

2、冰層厚度檢測(cè)試驗(yàn)

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(cè)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(fù)上述過(guò)程，直至冰層厚度為3mm為止，得出的冰層厚度與實(shí)際冰層厚度對(duì)比如表1所示。

表1 實(shí)際冰層厚度與測(cè)得冰層厚度對(duì)比表

試驗(yàn)驗(yàn)證表明，通過(guò)使用掃頻電路進(jìn)行激振，可以有效提升振管式結(jié)冰檢測(cè)傳感器的穩(wěn)定性；采用信息融合技術(shù)進(jìn)行冰層厚度檢測(cè)。如表1所示，傳感器對(duì)0～3mm厚的冰層，測(cè)量誤差不大于0.15mm。

五、結(jié)論

振管式結(jié)冰檢測(cè)傳感器目前已經(jīng)在我國(guó)某型導(dǎo)航系統(tǒng)的相控雷達(dá)上的到應(yīng)用，但受限于傳感器的穩(wěn)定性較差，缺乏冰層厚度測(cè)量能力等缺點(diǎn)，尚未得到大范圍推廣應(yīng)用。本文對(duì)傳感器進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰層厚度的準(zhǔn)確檢測(cè)，傳感器對(duì)冰層厚度測(cè)量誤差小于0.15mm。在此試驗(yàn)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)工程化和產(chǎn)品化推廣，結(jié)冰檢測(cè)傳感器將擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。