[发明专利]一种测量积冰的传感器及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用压电换能器引起振动的方法测量积冰的传感器。

背景技术

积冰可以造成多种灾害性的后果，对电力传输、交通运输和农业都有危害。测量积冰的方法有许多种，例如阻抗测量、光学测量和微波测量方法。利用压电换能器测量积冰的技术很早就被提出了。

论文Smart ice detection systems based on resonant piezoelectric transducers, Sensors and Actuators A,2001, vol. 69, pp. 243中提出了一种利用压电式蜂鸣器测量积冰的方案。这种方案使用了一种蜂鸣器。这种蜂鸣器包含了一个压电换能器，通常被称为他激式蜂鸣器或外驱动式蜂鸣器。蜂鸣器上的积冰会导致蜂鸣器的有效刚度增加，积冰也会导致蜂鸣器的有效质量增加，有效刚度增加会引起蜂鸣器的谐振频率增加，有效质量增加会引起谐振频率降低。这篇论文显示，有效刚度增加比有效质量增加对谐振频率的影响更大，因此积冰会引起谐振频率增加。这篇论文还指出，积水会引起蜂鸣器的有效质量增加，因此积水会引起谐振频率降低。因此，利用文中所介绍的蜂鸣器可以测量积冰，并可以区分积冰和积水。这种方法也存在一定的局限性，如果蜂鸣器上不但有积冰，而且有积水，就难以利用谐振频率的变化量来确定积冰的厚度。

论文A love-wave ice detector, Proceedings of 1999 IEEE Ultrasonics Symposium, 1999, vol. 1, pp. 453中提出了在压电材料衬底表面形成电极，形成表面波传感器的技术。这种表面波传感器对厚度很薄（例如几微米厚）的积冰比较灵敏，但它的测量电路比较复杂。这种传感器对比较厚的积冰进行测量较为困难。此外，表面波传感器在表面有水覆盖的时候，或在冰和水同时存在的时候，测量冰的厚度也较为困难。

论文Miniature ice detection sensor systems for aerospace applications, Proceedings of the Eleventh Annual International Workshop on MEMS 98, 1998, pp. 75中介绍了一种利用MEMS技术实现的积冰传感器。这种传感器利用MEMS静电执行器驱动膜片弯曲，用电容电极测量膜片的位移，对薄冰具有很高的灵敏度。然而这种MEMS积冰传感器需要较高的驱动电压，并且电容检测容易受到寄生电容的影响。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提供一种测量积冰的传感器，测量方法较为简单，测量积冰受到积水的影响程度较低。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：

一种采用传感器测量积冰的方法，包括如下步骤：

首先对传感器基板上的第一压电换能器施加交流电压，使基板和第二压电换能器产生机械振动；

再测量第二压电换能器产生的交流电压，获知基板上覆盖冰的厚度。

进一步的，前述的采用传感器测量积冰的方法，施加在第一压电换能器的交流电压的频率低于或高于基板的谐振频率。

进一步的，前述的采用传感器测量积冰的方法，还包括分别采用2个传感器进行测量的步骤，其中一个传感器的积冰厚度测量范围小于另一个传感器的积冰厚度测量范围。[0011] 一种用于测量积冰的传感器，包括基板、第一压电换能器和第二压电换能器；其中所述基板的一侧表面设置有空腔，所述两个压电换能器设置在基板的另一侧表面上，在基板与两个压电换能器之间设置有膜片；

所述两个压电换能器均由上电极、压电材料和下电极构成。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述两个压电换能器的表面覆盖了一层绝缘层。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述基板是SOI硅片。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述两个压电换能器的上电极通过导体连接，或两个压电换能器的下电极通过导体连接。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述两个压电换能器分别为圆形压电换能器、具有开口的圆环形压电换能器，所述圆形压电换能器通过圆环形压电换能器的开口处设置在其内部。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述两个压电换能器为梳指形状或矩形形状。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述基板为金属板。