具有智能除冰功能的结冰传感器[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号(10)授权公告号 CN 203908486 U(45)授权公告日 2014.10.29

(21)申请号 201420249254.2(22)申请日 2014.05.15

(73)专利权人李午

地址430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路

1037号东三区68栋101(72)发明人李午 陈坦德 高敏 沈迎 李鑫

吴祖强(74)专利代理机构湖北武汉永嘉专利代理有限

公司 42102

代理人崔友明 朱宏伟(51)Int.Cl.

G01B 7/06(2006.01)G01D 3/08(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图5页权利要求书1页 说明书4页 附图5页

(54)实用新型名称

具有智能除冰功能的结冰传感器(57)摘要

本实用新型涉及一种具有智能除冰功能的结冰传感器，包括谐振膜片和压电元件，所述谐振膜片粘接在所述压电元件上，所述压电元件的一面设有公共电极，另一面设有驱动电极和信号电极，所述驱动电极和公共极之间连接扫频激励电路；所述信号电极和公共极之间连接峰值检测电路，传感器还包括融冰电阻和融冰电路，所述融冰电阻通过带屏蔽层的电缆与融冰电路连接，所述融冰电阻粘接在所述谐振膜片表面。本实用新型将融冰电阻和谐振膜片粘合，使得机械式的压电谐振式传感器具有自身融冰功能。融冰电路为融冰电阻提供可控的融冰电流，融冰电阻通电后产生焦耳热，热传导给谐振膜片使谐振膜片表面的覆冰融化，便于传感器的继续测量和再次测量。CN 203908486 UCN 203908486 U

权 利 要 求 书

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1.一种具有智能除冰功能的结冰传感器，包括谐振膜片和压电元件，所述谐振膜片粘接在所述压电元件上，所述压电元件的一面设有公共电极，另一面设有驱动电极和信号电极，所述驱动电极和公共极之间连接扫频激励电路；所述信号电极和公共极之间连接峰值检测电路，其特征在于，传感器还包括融冰电阻和融冰电路，所述融冰电阻通过带屏蔽层的电缆与融冰电路连接，所述融冰电阻粘接在所述谐振膜片表面。

2.根据权利要求1所述的具有智能除冰功能的结冰传感器，其特征在于，传感器还包括测温元件和与所述测温原件连接的测温电路，所述测温电路与所述融冰电路和扫频激励电路连接。

3.根据权利要求2所述的具有智能除冰功能的结冰传感器，其特征在于，所述测温电路包括模数转换器和增益放大器。

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说 明 书

具有智能除冰功能的结冰传感器

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技术领域

[0001]

本实用新型涉及传感器，更具体地说，涉及一种具有智能除冰功能的结冰传感器。

背景技术

结冰监测技术是应用各种类型传感器通过感知物体表面结冰后产生的物理、力学

及光学等性质的变化实现结冰的判定。这些技术可实时、准确地监测物体表明结冰状态，并可获得结冰厚度等重要数据，在飞机、电力、道路等领域已经得到应用。[0003] 目前，国内外已经形成十余种类型的结冰传感器和结冰监测方法，仅有少数用于路面结冰探测。路面气象条件观测内容主要包括路温、路面状况、冰点温度，以及融雪剂浓度等方面。路面气象条件的自动观测通常利用路面传感器实现。根据传感器的观测原理或安装方式，分为埋入式路面传感器和非接触式路面传感器，埋入式传感器安装时需要切割路面，将传感器埋入路面并使其表面与公路表面齐平；非接触式传感器一般安装于路侧杆柱的适当高度。

[0004] 专利公开号为CN102759326A的《MEMS应变式结冰传感器及检测方法》中描述了一种MEMS应变式结冰传感器及检测方法，涉及结冰厚度检测技术，包括回形框、周边固支的方形平膜、检测电阻、参考电阻、融冰电阻、电极引线。由MEMS应变式结冰传感器和接口电路组成检测系统。检测结冰时，检测电阻、参考电阻组成惠斯通电桥，用检测电阻感知结冰引起的平膜表面应力变化，达到检测结冰的目的。但是该传感器主要适用于飞机表面结冰，不适合用于道路这种表面情况复杂干扰大的环境。[0005] 专利公开号为CN1967176的《压电谐振膜片式传感器》描述了一种用于对结冰现象进行检测的传感器，谐振膜片上粘结有压电元件，密闭腔壁紧靠压电元件和谐振膜片装有测温元件，压电元件和测温元件通过穿过密闭腔的带屏蔽层电缆与驱动和信号检测电子线路电信号连接进行检测。但是该传感器不具有智能除冰功能，传感器表面的冰层难以融化，覆冰厚度超过传感器的检测范围时，传感器无法正常工作。

[0002]

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种具有智能除冰功能的结冰传感器。[0007] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种具有智能除冰功能的结冰传感器，包括谐振膜片和压电元件，所述谐振膜片粘接在所述压电元件上，所述压电元件的一面设有公共电极，另一面设有驱动电极和信号电极，所述驱动电极和公共极之间连接扫频激励电路；所述信号电极和公共极之间连接峰值检测电路，传感器还包括融冰电阻和融冰电路，所述融冰电阻通过带屏蔽层的电缆与融冰电路连接，所述融冰电阻粘接在所述谐振膜片表面。

[0006]

上述方案中，传感器还包括测温元件和与所述测温原件连接的测温电路，所述测

温电路与所述融冰电路和扫频激励电路连接。[0009] 上述方案中，所述测温电路包括模数转换器和增益放大器。

[0008]

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说 明 书

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实施本实用新型的具有智能除冰功能的结冰传感器，具有以下有益效果：

[0011] 本实用新型将融冰电阻和谐振膜片粘合，使得机械式的压电谐振式传感器具有自身融冰功能。融冰电路为融冰电阻提供可控的融冰电流，融冰电阻通电后产生焦耳热，热传导给谐振膜片使谐振膜片表面的覆冰融化，便于传感器的继续测量和再次测量。附图说明

[0012] [0013] [0014] [0015] [0016] [0017] [0018] [0019] [0020] [0021]

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型具有智能除冰功能的结冰传感器的俯视图；图2是压电元件的结构示意图；图3是结冰传感器的剖视图；

图4是本实用新型结冰传感器的电路原理图；图5是测温电路的示意图；图6是融冰电路的示意图；图7是扫频激励电路的示意图；图8是峰值检测电路的示意图；图9是处理器的示意图。

具体实施方式

[0022] 为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。[0023] 如图1-图4所示，本实用新型具有智能除冰功能的结冰传感器包括谐振膜片1、压电元件4、融冰电阻5和融冰电路9。谐振膜片1粘接在压电元件4上，压电元件4的一面设有公共电极6，另一面设有驱动电极2和信号电极3。驱动电极2和公共极之间连接扫频激励电路10，信号电极3和公共极之间连接峰值检测电路11。融冰电阻5通过带屏蔽层的电缆与融冰电路9连接，融冰电阻5粘接在谐振膜片1表面。[0024] 谐振膜片1为恒弹合金材料制成，恒弹性合金膜片具备稳定的弹性模量，降低了环境温度对传感器的影响。压电元件4由经改性的圆形锆钛酸铅压电陶瓷材料制成，以特殊配方工艺烧结而成，机电耦合系数高，保证了高灵敏度。电极以银材料为主并以烧结工艺生成于压电元件4体之上。谐振膜片1上粘结有压电元件4，谐振膜片1上还粘有融冰电阻5，紧靠压电元件4和谐振膜片1装有测温元件7，压电元件4、融冰电阻5和测温元件7通过带屏蔽层的电缆与扫频激励电路10和峰值检测电路11连接。

[0025] 电极以银材料为主并以烧结工艺生成于压电元件4体之上。压电元件4呈一种三电极的结构，即在圆形压电陶瓷膜片一侧表面蚀刻出一大一小两个电极，较大的为驱动电极2，较小的为信号电极3，另一侧则使用导电胶与恒弹性合金膜片粘合在一起作为第三个电极，即公共极。压电元件4同谐振膜片1粘接面连接公共电极6压电元件4另一面连接驱动电极2和信号电极3。公共电极6与谐振膜片1完全粘合，公共极的引线从谐振膜片1的背面引出。融冰电阻5使用绝缘胶体和谐振膜片1的背面粘合，融冰电阻5的引线从圆环形的融冰电阻5上对称的两点引出。[0026] 融冰电阻5形状可为环形、方框形等形状，粘合在谐振膜片1与压电元件4同面的

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说 明 书

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同侧，与谐振膜片1同心。融冰电阻5的融冰电路9为融冰电阻5提供可控的融冰电流，融冰电阻5通电后产生焦耳热，热传导给恒弹合金使恒弹合金表面的覆冰融化。

[0027] 谐振膜片1未粘贴有压电元件4和融冰电阻5的一面作为结冰探测面。当结冰探测面未覆冰时，扫频激励电路10输出激励信号，峰值检测电路11检测到传感器谐振于某一初始频率；当结冰探测面上有覆冰发生时，覆冰层大大增加了谐振膜片1的刚度，从而引起传感器的谐振频率增加。在扫频激励电路10和峰值检测电路11中获取传感器的谐振频率信号及其增量，就可判断覆冰现象是否发生，并从频率增加的大小上得知覆冰厚度的多少。当结冰探测面的覆冰厚度超过传感器的检测范围时，融冰电路9开启，为融冰电阻5提供可控的融冰电流，融冰电阻5产生的焦耳热传导给谐振膜片1，使得结冰探测面的覆冰融化，传感器的谐振频率回归到初始频率。

[0028] 测温元件7为微小尺寸的PT100测温元件7，测温元件7使用单独设计的测温电路8。测温电路8采用专用的低功耗测温芯片，测温芯片集成了高精度模数转换器(ADC)、低噪声可编程增益放大器(PGA)、内部恒流源等功能，具有断线检测功能。测温元件7的作用为：(1)作为传感器本身的温度补偿之用，以保证传感器谐振频率对温度的稳定性；(2)当融冰电阻5接通时，传感器自身融冰，温度作为传感器自身的反馈信号来控制融冰电阻5通过的电流大小从而控制融冰电阻5的发热；(3)当传感器高于某阈值温度时，这时的环境条件已不可能发生结冰现象，系统自动切断激励信号，使系统处于半休眠状态，减少虚警和能耗。[0029] 图4-图9为本实用新型结冰传感器的的电路原理图。测温电路8连接测温元件7进行测温。融冰电路9连接融冰电阻5为融冰电阻5提供可控的融冰电流，融冰电阻5产生的焦耳热传导给谐振膜片1，使得结冰探测面的覆冰融化，传感器的谐振频率回归到初始频率，系统复位。系统复位后，仍可继续对环境中结冰现象是否仍然存在继续进行检测。扫频激励电路10接驱动电极2和谐振膜片1，扫频激励电路10发出幅值、频率和波形可控的激励信号对压电元件4进行激励。峰值检测电路11接信号电极3和谐振膜片1，峰值检测电路11在信号电极3和公共极6(也就是谐振膜片1)之间检测到压电元件4对激励电路10的响应。

[0030] 作为优选，还可以设置处理器12，处理器12控制测温电路8进行温度检测并存储相应的信息；处理器12控制融冰电路9进行融冰；处理器12控制扫频激励电路10对压电元件4进行激励；处理器12接收峰值检测电路11对响应检测后传来的峰值信息。处理器12综合处理扫频频率、峰值信息和温度信息，得到传感器的谐振频率信号及其增量，判断覆冰现象是否发生，并从频率增加的大小上得知覆冰厚度的多少。同时，处理器12还能把单个传感器的结冰情况存储，并能进行远传。[0031] 本实用新型具有以下优点：

[0032] (1)将融冰电阻和压电谐振膜片粘合，使得机械式的压电谐振式传感器具有自身融冰功能，便于继续测量和再次测量。(2)传感器的激励采用它极激励的方式，激励信号可控，大大提高了压电元件的使用寿命。(3)使用压电元件且工作采用间断式，使得功耗极低。(4)传感器尺寸小，厚度薄，检测电路集成度高，可以安装适用于各类表面覆冰环境中，如道路、飞机机翼、风力机叶片等。

[0033] 上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通

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说 明 书

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技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

图3

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说 明 书 附 图

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图4

图5

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说 明 书 附 图

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图6

图7

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说 明 书 附 图

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图8

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说 明 书 附 图

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图9

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