實(shí)驗(yàn)名稱：超聲導(dǎo)波結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究

　　研究方向：對(duì)基于有限元軟件Ansys對(duì)不同結(jié)冰參數(shù)(長(zhǎng)度和厚度)進(jìn)行了模擬分析，在頻率為300Khz的激勵(lì)信號(hào)下，激發(fā)了S0和A0兩個(gè)Lamb波模態(tài)，分別研究了隨著參數(shù)改變兩個(gè)模態(tài)的改變特性，發(fā)現(xiàn)隨著冰厚度增長(zhǎng)或長(zhǎng)度增加，兩個(gè)模態(tài)的幅值會(huì)因?yàn)槟芰縼G失發(fā)生線性的衰減，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(zhǎng)度對(duì)峰值滯后的影響更大，厚度對(duì)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(dǎo)波結(jié)冰探測(cè)技術(shù)提供了一種分析的思路進(jìn)行理論研究進(jìn)行驗(yàn)證,并得到冰層對(duì)超聲導(dǎo)波的影響規(guī)律，使用多對(duì)壓電傳感器，在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)使用信號(hào)提取的方法，用來(lái)反映結(jié)冰信息，最終以成像的方法將結(jié)冰信息反映到屏幕上，將結(jié)冰可視化。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯拷Y(jié)冰對(duì)導(dǎo)波波形的影響，并采集計(jì)算出用于確定結(jié)冰程度的特征量SDC:當(dāng)有水或其他液體存在時(shí)，能通過(guò)截?cái)郤0模態(tài)進(jìn)而減小水對(duì)結(jié)冰的影響。在飛機(jī)遇到復(fù)雜的氣象條件時(shí)，能通過(guò)這一套探測(cè)系統(tǒng)可以將飛機(jī)整個(gè)結(jié)冰情況可視化，并且隨時(shí)監(jiān)控結(jié)冰區(qū)域的增長(zhǎng)情況，給飛行員預(yù)警，保障飛行的安全。除此之外，整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)還具有集成化、輕量化等優(yōu)點(diǎn)

　　測(cè)試設(shè)備：泰克AFG3022C型任意波形信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源、信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)出的信號(hào)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(xiàn)多個(gè)傳感器的信號(hào)接收因此使用NI公司的2527多路開關(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(yàn)過(guò)程：從一個(gè)簡(jiǎn)單且完整的超聲結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)信號(hào)發(fā)射-接收系統(tǒng)，需要一個(gè)信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)、傳感器、模型和接收系統(tǒng)。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(dǎo)波，超聲導(dǎo)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(cè)的接收壓電片利用壓電效應(yīng)接收到交變電壓信號(hào),然后利用采集系統(tǒng)將接收到的信號(hào)采集到上位機(jī)中進(jìn)行觀察處理。

　　如果要得到更多的結(jié)冰信息，如結(jié)冰位置和結(jié)冰程度則還需要更多的傳感器對(duì),本文設(shè)計(jì)了如下的系統(tǒng)流程圖的超聲導(dǎo)波結(jié)冰定位與成像系統(tǒng)。由8對(duì)傳感器用作指定區(qū)域的監(jiān)測(cè)，整套系統(tǒng)還包括主機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、開關(guān)和信號(hào)采集卡。整個(gè)系統(tǒng)集成在Labview平臺(tái)上，在主機(jī)上控制信號(hào)發(fā)生器發(fā)射一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，然后將激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后將放大后的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行選擇發(fā)射，選擇功能由開關(guān)實(shí)現(xiàn)，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(hào)通過(guò)采集卡在傳輸?shù)街鳈C(jī)上觀察分析。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(hào)，則一次完整的采集會(huì)有8x8=64組信號(hào)，然后通過(guò)定位算法和成像算法將分析結(jié)冰信息并且在主機(jī)上給出結(jié)冰的位置和程度。

　　兩種結(jié)冰探測(cè)技術(shù)軟件均基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)，LabVIEW平臺(tái)是美國(guó)國(guó)家儀器公司開發(fā)的一種圖形化編程語(yǔ)言，和C語(yǔ)言類似,也是有通用的編程系統(tǒng)，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(jié)冰對(duì)超聲導(dǎo)波的影響，選用了連接線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(jié)冰探測(cè)開始前，首先判斷傳感器是否正常工作，需對(duì)傳感器信號(hào)做檢測(cè)，在區(qū)域的中間激發(fā)一個(gè)信號(hào)，觀察其他傳感器接收到的信號(hào)是否一致，如果一致則表明傳感器正常工作，即可以開始結(jié)冰監(jiān)測(cè)。然后開始實(shí)驗(yàn)時(shí)首先在冷環(huán)境中測(cè)量一組無(wú)冰時(shí)的數(shù)據(jù):然后在把水滴滴到鋁板上，在凍結(jié)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，1個(gè)傳感器在發(fā)射信號(hào)，其余15個(gè)傳感器接收信號(hào)。如此，當(dāng)16個(gè)傳感器完成一個(gè)工作循環(huán)，共采集16x15=240組數(shù)據(jù)。

　　在驗(yàn)證了概率重構(gòu)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(yàn)中，采用16個(gè)傳感器進(jìn)行平行布局，平行線間距為300mm，如圖4.17所示。類似圓形布局，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置在冷環(huán)境中進(jìn)行，首先采集無(wú)冰時(shí)候的信號(hào)，再把水滴到板上凍結(jié)成冰后再采集一組信號(hào)。在采集數(shù)據(jù)時(shí)，是一側(cè)8個(gè)傳感器依次發(fā)射信號(hào)，當(dāng)某1個(gè)傳感器發(fā)射信號(hào)時(shí)，平行線另一側(cè)8個(gè)傳感器接收信號(hào)。這樣，當(dāng)完成一個(gè)工作循環(huán)時(shí)，共采集8x8=64組數(shù)據(jù)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在labview平臺(tái)上，使用概率重構(gòu)與成像算法，處理實(shí)驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4.15所示，圖中各點(diǎn)處的強(qiáng)度值越大，則結(jié)冰的可能性就越大，在此次實(shí)驗(yàn)中，成像圖中最大的結(jié)冰概率為3.1左右，整個(gè)成像圖能較好的反映出結(jié)冰位置和結(jié)冰情況，

　　以最下邊的1號(hào)傳感器為例計(jì)算傳感器2~16采集到的信號(hào)在兩種情況下的前后SDC，結(jié)果如圖4.16所示

　　從圖4.16中看出，在結(jié)冰后采集到的數(shù)據(jù)中，1-8這一對(duì)傳感器的SDC值最大，并且往兩邊呈減小的趨勢(shì)。，結(jié)冰主要是在1-8這對(duì)傳感器的連線上，因此SDC值的算法所基于的假設(shè)是合理的。

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

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

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