實(shí)驗名稱(chēng)：超聲導波結冰探測系統及實(shí)驗研究

　　研究方向：對基于有限元軟件Ansys對不同結冰參數(長(cháng)度和厚度)進(jìn)行了模擬分析，在頻率為300Khz的激勵信號下，激發(fā)了S0和A0兩個(gè)Lamb波模態(tài)，分別研究了隨著(zhù)參數改變兩個(gè)模態(tài)的改變特性，發(fā)現隨著(zhù)冰厚度增長(cháng)或長(cháng)度增加，兩個(gè)模態(tài)的幅值會(huì )因為能量丟失發(fā)生線(xiàn)性的衰減，且S0模態(tài)衰減更為明顯;除了幅值衰減還有峰值發(fā)生了不同程度的滯后，且長(cháng)度對峰值滯后的影響更大，厚度對幅值衰減影響更大。雖然該算例不具有普適性，但為研究超聲導波結冰探測技術(shù)提供了一種分析的思路進(jìn)行理論研究進(jìn)行驗證,并得到冰層對超聲導波的影響規律，使用多對壓電傳感器，在監測范圍內使用信號提取的方法，用來(lái)反映結冰信息，最終以成像的方法將結冰信息反映到屏幕上，將結冰可視化。

　　實(shí)驗目的：研究結冰對導波波形的影響，并采集計算出用于確定結冰程度的特征量SDC:當有水或其他液體存在時(shí)，能通過(guò)截斷S0模態(tài)進(jìn)而減小水對結冰的影響。在飛機遇到復雜的氣象條件時(shí)，能通過(guò)這一套探測系統可以將飛機整個(gè)結冰情況可視化，并且隨時(shí)監控結冰區域的增長(cháng)情況，給飛行員預警，保障飛行的安全。除此之外，整個(gè)探測系統還具有集成化、輕量化等優(yōu)點(diǎn)

　　測試設備：泰克AFG3022C型任意波形信號發(fā)生器作為信號源、信號發(fā)生器產(chǎn)出的信號經(jīng)由Aigtek公司的ATA-8202型功率放大器進(jìn)行能量放大、同時(shí)為了實(shí)現多個(gè)傳感器的信號接收因此使用NI公司的2527多路開(kāi)關(guān)作為切換器、采集卡為阿爾泰公司的ART-PXI8502S以及壓電陶瓷（PZT-5A）。

　　實(shí)驗過(guò)程：從一個(gè)簡(jiǎn)單且完整的超聲結冰探測系統是一個(gè)信號發(fā)射-接收系統，需要一個(gè)信號發(fā)射系統、傳感器、模型和接收系統。通過(guò)在鋁板模型表面的壓電發(fā)射傳感器激發(fā)超聲導波，超聲導波在鋁板上傳播遇到冰層時(shí)，會(huì )發(fā)生一系列的變化，然后通過(guò)在另一側的接收壓電片利用壓電效應接收到交變電壓信號,然后利用采集系統將接收到的信號采集到上位機中進(jìn)行觀(guān)察處理。

　　如果要得到更多的結冰信息，如結冰位置和結冰程度則還需要更多的傳感器對,本文設計了如下的系統流程圖的超聲導波結冰定位與成像系統。由8對傳感器用作指定區域的監測，整套系統還包括主機、信號發(fā)生器、功率放大器、開(kāi)關(guān)和信號采集卡。整個(gè)系統集成在Labview平臺上，在主機上控制信號發(fā)生器發(fā)射一個(gè)激勵信號，然后將激勵信號進(jìn)行功率放大，然后將放大后的激勵信號進(jìn)行選擇發(fā)射，選擇功能由開(kāi)關(guān)實(shí)現，即每一次發(fā)射僅有一個(gè)發(fā)射壓電片工作，而接收壓電片是一起工作，將接收到的信號通過(guò)采集卡在傳輸到主機上觀(guān)察分析。依次讓每個(gè)發(fā)射壓電片工作依次，一次會(huì )采集到8個(gè)信號，則一次完整的采集會(huì )有8x8=64組信號，然后通過(guò)定位算法和成像算法將分析結冰信息并且在主機上給出結冰的位置和程度。

　　兩種結冰探測技術(shù)軟件均基于LabVIEW平臺開(kāi)發(fā)，LabVIEW平臺是美國國家儀器公司開(kāi)發(fā)的一種圖形化編程語(yǔ)言，和C語(yǔ)言類(lèi)似,也是有通用的編程系統，通過(guò)前面板的交互界面和后面板的程序界面的連接，可以把軟件進(jìn)行可視化編程。

　　為了更好的研究結冰對超聲導波的影響，選用了連接線(xiàn)密度最高的圓形布局，直徑為300mm，如圖4.14所示，一共采用了16個(gè)傳感器:在結冰探測開(kāi)始前，首先判斷傳感器是否正常工作，需對傳感器信號做檢測，在區域的中間激發(fā)一個(gè)信號，觀(guān)察其他傳感器接收到的信號是否一致，如果一致則表明傳感器正常工作，即可以開(kāi)始結冰監測。然后開(kāi)始實(shí)驗時(shí)首先在冷環(huán)境中測量一組無(wú)冰時(shí)的數據:然后在把水滴滴到鋁板上，在凍結后再進(jìn)行數據采集。在數據采集時(shí)，1個(gè)傳感器在發(fā)射信號，其余15個(gè)傳感器接收信號。如此，當16個(gè)傳感器完成一個(gè)工作循環(huán)，共采集16x15=240組數據。

　　在驗證了概率重構算法和定位算法的正確性后，為了研究更具實(shí)際意義的布局，在此次實(shí)驗中，采用16個(gè)傳感器進(jìn)行平行布局，平行線(xiàn)間距為300mm，如圖4.17所示。類(lèi)似圓形布局，整個(gè)實(shí)驗裝置在冷環(huán)境中進(jìn)行，首先采集無(wú)冰時(shí)候的信號，再把水滴到板上凍結成冰后再采集一組信號。在采集數據時(shí)，是一側8個(gè)傳感器依次發(fā)射信號，當某1個(gè)傳感器發(fā)射信號時(shí)，平行線(xiàn)另一側8個(gè)傳感器接收信號。這樣，當完成一個(gè)工作循環(huán)時(shí)，共采集8x8=64組數據。

　　實(shí)驗結果：在labview平臺上，使用概率重構與成像算法，處理實(shí)驗中采集到的數據，結果如圖4.15所示，圖中各點(diǎn)處的強度值越大，則結冰的可能性就越大，在此次實(shí)驗中，成像圖中最大的結冰概率為3.1左右，整個(gè)成像圖能較好的反映出結冰位置和結冰情況，

　　以最下邊的1號傳感器為例計算傳感器2~16采集到的信號在兩種情況下的前后SDC，結果如圖4.16所示

　　從圖4.16中看出，在結冰后采集到的數據中，1-8這一對傳感器的SDC值最大，并且往兩邊呈減小的趨勢。，結冰主要是在1-8這對傳感器的連線(xiàn)上，因此SDC值的算法所基于的假設是合理的。

　　在labview平臺上觀(guān)察從S1發(fā)射傳感器和S4發(fā)射傳感器的兩組信號的SDC值，如圖4.18所示，可以看出在冰層存在于連線(xiàn)對上的SDC均偏大，S1傳感器發(fā)射的信號在R4以后均較大，S4傳感器的信號只是中間大，這也證明了前面的SDC假設和概率重構算法的正確性。

　　由圖4.19可看出，結冰程度最嚴重的地方在中心線(xiàn)附件，沿上下兩邊延伸。矩形布局在結冰圖像上也能較好的反映出結冰狀況，雖然局部有一定的誤差，但整體趨勢是正確的。

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