压电谐振式结冰传感器的结冰试验和数据处理

　　结冰是一种自然现象,广泛存在于自然界、生产生活和社会生活中,在很多方面影响了人们的生活,直至给人们带来危害。如供电网上电缆结冰,当有过重结冰现象出现时,就会压断电网;路面上的结冰会导致交通事故,飞机结冰是导致飞机飞行的气象因素之一,严重时会导致飞机失事;冰箱里的蒸发器的结冰会影响制冷效果并浪费电能。因此结冰传感器具有非常广阔的应用前景。

　　压电谐振式结冰传感器是一种小型化的平齐式的冰传感器,能够检测冰厚,测量灵敏度可达到0·1mm。

　　1　压电谐振式结冰传感器原理

　　压电谐振式结冰传感器是一种基于压电陶瓷的压电效应和逆压电效应及固体的谐振频率随着刚度和质量的变化而变化等原理的冰传感器。当传感器的表面附着冰时,传感器的质量和刚度都发生变化,刚度的变化导致膜片的谐振频率增大,而质量的变化却致使膜片的谐振频率减小,但结冰时刚度的变化的影响要大于质量变化的影响,故传感器的谐振频率增大;而当传感器的表面上有水或者其他液体时,质量增加而刚度不变,传感器的谐振频率减小。这样通过谐振频率的改变就知道传感器上是否结冰和冰厚。

　　压电谐振式结冰传感器的基本结构如图1所示。图1中金属膜片与压电陶瓷PZT共同构成传感器的激振器。传感器的激振器是一种三电极的圆形片状压电器件,如图2所示。当在电极A和电极B之间加一交变电压时,PZT便会带动膜片一起做一阶振动。

　　压电谐振式结冰传感器的峰值频率采用开环扫频法来进行测量。在传感器A电极和电极B电极之间加交变电压,当交变电压的频率与传感器的谐振频率相近时,电极C和电极B之间就会输出比较大的电压,而在谐振频率点处输出的电压最大,这就是开环扫频测量法的原理。它的实时性比较好,精度也比较高。

　　2　实验室结冰试验过程

　　通过结冰试验可获得传感器的谐振频率与冰厚之间的关系。结冰试验系统如图3所示。试验系统主要由喷水系统、半导体制冷系统、激光测距仪、开环测试电路等组成。

　　喷水系统由储水罐、水泵、空气压缩机、充气阀、储压罐、压力表、喷头等组成,并可以有效地对水滴平均直径进行控制。喷水系统的工作过程分为加压、喷水和停止。加压时,水泵将水注入储压罐,关闭充气阀和出水阀,随着水的不断注入,储压罐内的空气不断被压缩,罐内压力逐渐增大,当达到0·9MPa左右时,加压完成。喷水时,打开出水阀和1#电磁阀,关闭2#电磁阀。停止喷水时,水管中还还有残余压力,此时应关闭1#电磁阀,打开2#电磁阀,喷头将停止喷水。实验中喷头喷出的水滴平均直径和储压罐的压力之间的关系如图4所示。水滴平均直径可在(40~25)μm之间变化。实验中一般将压力保持在0·9MPa左右,此时水滴平均直径为32μm。喷头喷出的水雾为60°的实心圆锥,水雾也很均匀。另外,实验中也可对喷水时间进行控制。