[发明专利]一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器及其系统

说明书

本发明公开了一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器及其系统，该传感器包括：压电晶片基片、叉指换能器、第一反射器、储水装置、第二反射器、第三反射器；还包括波导层和与叉指换能器连接的信号传输天线；信号传输天线用于与外部射频读取模块进行信号交互。该系统，包括：前述声表面波结冰传感器和射频读取模块。根据第一反射器、第二反射器和第三反射器形成的反射波，确定储水装置的结冰状态。采用微流控芯片来储存水，并结合宽带低损耗的微带天线与高分辨率的步进调频雷达，实现一种具有高灵敏度、良好的温度稳定性以及快速响应的新型无线无源声表面波结冰传感器。

技术领域

本发明涉及声表面波传感器领域，尤其涉及一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器及其系统。

背景技术

结冰现象广泛存在于自然界和人类生产、生活的现实中。结冰传感技术是一种通过各种类型的结冰传感器的应用来实现结冰状况信息获取和自动监测的技术，这些传感器大多会在结冰后作出不同的反应。通过这些传感器的应用可以准确实时监测物体表面的结冰情况，并采集到与结冰相关的一系列信息，这在航空、电力、道路等领域的应用已经比较广泛。目前应用于道路检测的传感技术有光纤式传感技术、红外式传感技术与电容式传感技术。

如图1所示，光纤结冰传感器利用冰对光的反射与吸收作用实现对结冰的检测，传感器的探头与被测面平行，发射光纤束与接收光纤束以一定规则排列。当被测物表面结冰时，由于冰面对光的反射及冰层对光的吸收、散射等现象，在接收光纤中能接收到与冰层厚度相关的光强信号。美国Luff公司开发的NIRS31-UMB型光学结冰传感器(L Ewan,2013)，其精度很高，但是很容易受外界干扰，稳定性不高，而且造价很高，目前并未得到广泛应用。

如图2所示，红外式结冰传感器是利用红外激光照射在物体的结冰表面，通过光电探测器接收到物体结冰表面反射回来的激光的能量，计算得到不同入射角和观测角下结冰表面的反射系数，根据反射系数推断物体表面的结冰情况。红外式结冰传感器精度高，响应快，属于比较精密的光学仪器，但是这种光学仪器比较脆弱，抗干扰能力较差，容易受外界强光、杂光(如车灯)的影响，且造价比较高，在道路工程中推广使用存在一定困难。

如图3所示，电容式结冰传感器是一种当冰层附着在传感器表面时，利用电容板之间电介质的变化引起电容变化的方法来探测结冰相关信息的结冰传感器。韩国釜山大学研制了一种用于实时测量油管表面结冰量的电容式传感器，由检测电容变化的电极对和检测温度变化的热电偶构成。此外，设计了能够模拟结冰条件的环境室。该结冰传感器不仅能够实时检测结冰的厚度，还能够通过电容值的变化观察到表面冰的形成。奥地利格拉茨科技大学研制了集成结冰和温度检测的除冰系统，用于恶劣环境中的气象监测。加热电路板为双曲折结构，能够实现差分模式下的电容测量，而结冰会导致电容的增加，电容的变化信息可以有效地控制加热单元进行除冰，避免在没有结冰的情况下过度加热。电容式的传感器比较适合在路面使用，其工艺相对简单，造价低廉，且判断准确率较高，但它的一大缺憾是深度结冰和干燥两种情况的电容值相近，依靠电容值难以判断是否结冰，且响应时间较长，无法进行实时监控。