摘要：按照适航条款的要求，民机定型时须进行结冰飞行试验，在ARJ结冰试飞过程中采用视频拍摄标尺的方法对结冰的厚度进行测试，其应用环境存在局限性。该文研究基于超声脉冲回波的结冰厚度测试方法以实现传感器的嵌入式安装、高精度和实时动态测量。通过构建超声回波结冰厚度测试的仿真模型，设计超声脉冲发射电路和接收电路搭建结冰厚度测试系统，并在半导体制冷结冰台上进行了基于超声回波的结冰厚度测试技术验证。实验结果得到了5%的测试精度。
关键字：飞机结冰 超声波 结冰厚度探测
Research on Ultrasonic Echo for Aircraft Icing Thickness Detection
（Ji Chenli1，Qi Xiaopeng2，Li Changjiang3 Xia Li4）
Abstract: According to the airworthiness requirements, icing flight tests are required during the finalization of civil aircrafts. During the ARJ icing test flight, the thickness of icing is tested by using a video shooting ruler. The application environment has limitations. This paper studies the icing thickness measurement method based on ultrasonic pulse echo to achieve embedded installation, high accuracy and real-time dynamic measurement of the sensor.By building a simulation model of ultrasonic echo icing thickness test，designing an ultrasonic pulse transmitting circuit and a receiving circuit to build an icing thickness test system, and experimentally verifying the icing thickness testing technology based on ultrasonic echo on a semiconductor refrigeration icing platform. The experimental results obtained a test accuracy of 5%.
Keywords: aircraft icing, ultrasonic, icing thickness detection
一、 引言
1.1 研究的必要性
飞机结冰的部位一般有：空速管、攻角传感器，飞机挡风玻璃，机翼前缘，发动机进气道及燃油通气管，螺旋桨浆叶，平尾前缘，飞机天线，垂尾前缘等，如下图1所示。这些结冰都可能造成无法预料的飞行事故。例如：飞机挡风玻璃结冰，妨碍飞行员视线；机翼前缘结冰，使飞机升力减小，阻力增大，影响飞机操纵；螺旋桨浆叶结冰，会造成飞机剧烈颤动；飞机天线结冰，干扰或中断通讯[1]。
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图1飞机结冰部位示意图
由于飞机在飞行过程中遭遇自然结冰气象，会导致不同部位结冰，影响飞行安全。按照试航CCAR-23、CCAR-25部要求[2]，新机定型时，须进行结冰飞行试验。所以有必要研究飞机结冰探测技术，在试飞时，不但及时获得结冰数据，也有利于飞机安全。
1.2国内外研究现状
飞机表面结冰探测是用传感器进行感知和测量的，结冰传感器能给出飞机航行中结冰严重程度的信息，结合机载除冰装置，保证飞机安全航行
在试飞测试领域，ARJ21-700飞机自然结冰试飞中，采取非接触式测试技术：摄像法，配合喷涂的喷标和加装的标尺，实现机翼、平尾、发动机唇口结冰状态监控和结冰厚度测量，如下图2所示。
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图2 ARJ21-700飞机自然结冰试飞喷标、标尺
摄像法结冰探测系统，通过远程信息传输将图片传递到后方，由计算机进行图像分析，判断是否结冰。受限于摄像头的安装，其应用环境收到限制，且无法做到实时结冰测量。
目前国外应用最多有磁致伸缩结冰传感器、平膜式结冰传感器、摄像法结冰探测系统、压差法结冰传感器、射线式结冰传感器、电导法结冰传感器、光纤式结冰传感器等[3-6]。磁致伸缩结冰传感器，校准困难，必须布置在被测结构的磁场中，支撑结构复杂、体积较大，并且无法齐平保形的安装在曲面部位；平膜式结冰传感器，敏感材料的生产要求较高，工艺较复杂，装配困难；压差法结冰传感器结构复杂、体积较大、响应速度较慢；射线式结冰传感器会给人体带来伤害；电导法结冰传感器可靠性差；光纤式结冰传感器对水、油污、灰尘的干扰较为敏感，且只能实现点探测，无法对具有较大尺寸的面进行探测。
下表1和2，是国内外主要的研究机构，在结冰探测技术研究中，所采用的测量原理以及取得的研究成果。国内研究较为滞后于欧美国家，只有少数的几个大学和机构开展了工作。
表1 国外研究成果
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表2 国内研究成果
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已有的研究成果在应用时总会有一些自身的局限性，因此国内外研究机构致力于改进现有研究成果或采用新原理进行相关技术研究。该文基于超声波的特性：频率越高，指向性越好；传播能量大，对各种材料穿透力强；在介质中传播时，遇到分界面会发生反射。所以选择超声脉冲回波法测量原理，进行结冰厚度测试技术研究。可以作为摄像法的补充，实现多点结冰厚度测试。
二、 研究内容
2.1 超声脉冲回波法冰厚测试原理
超声脉冲回波法测冰厚原理如下图3所示。超声波探头一般选取压电式直探头。将超声脉冲发射接收系统发出的电信号变换成超声波，垂直入射；超声波在铝、冰中传播。在铝-冰界面、冰-空气界面反射，产生回波；超声波探头感知回波，并变换成电信号，由超声脉冲发射接收系统接收。
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图3 超声脉冲回波法测冰厚原理图
图4 超声脉冲回波示意图
回波由于能量损失不断产生衰减，超声脉冲回波示意图如上图4所示。
其中：
T是始波，属于内部电路反馈，是标志信号，前沿对准0刻度；
铝1是铝顶端第1次回波，出现时间是t1；
冰1是冰顶端第1次回波，出现时间是t2；
t冰 =t2-t1是超声波在冰中传播时间；
冰层厚度计算公式：H冰厚=t冰*c冰/2
2.2 超声脉冲回波法冰厚测试仿真模型构建
2.2.1 仿真模型建立
仿真采用有限元仿真软件COMSOL Mutiphysics 5.4。采用压力声学模块模拟超声波探头发射超声波，穿过铝层、冰层。在瞬态研究节点下研究超声波随时间变化在铝层、冰层中的传播过程。在Solidworks下绘制声场传播模型，将模型导入有限元COMSOL软件中，如图5所示。铝层的厚度范围为2-4mm可调，冰层的厚度范围为3-20mm可调。
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图5 建模示意图
2.2.2 模型参数设置
在铝层和冰层的边界与完美匹配层（PML）相连接，PML层能够吸收声波到声场计算边界的声波，避免了不必要的反射波对声场造成的影响。设定脉冲频率为10-20MHz；铝密度为2.7g/cm3，超声波在铝中的纵向传播速度为6480m/s；冰密度为0.9g/cm3，超声波在冰中的纵向传播速度为3980m/s；设定换能器激励载荷为P0=100*sin(2*π*f0*t)，其中t<1/f0。
划分网格时，将完美匹配层整体采用自由三角形网格；将超声波探头，铝层和冰层采用映射处理。由于网格划分的单元尺寸精度影响最后的计算结果，故采用波长的1/6来划分整体网格，从而获得最佳计算精度。
在压力声学瞬态的研究节点下，设定步长为T0/50，其中T0=1/f0，以提高计算结果精度，设定计算周期为200*T0，能够使得铝、冰回波信号回到换能器表面的接收点，从而获得时域回波信号的波形。给定一个激励波后，研究波形在铝层、冰层中的传播特性。
2.2.3 超声波在铝层、冰层中传播形态
设定脉冲频率为10MHz，铝层厚度为4mm，冰层厚度为17mm时，图6为超声波在铝层中的传播形态，图7为超声波到达铝层和冰层的交界时的传播形态，图8为超声波在冰层中的传播形态。
图6超声波在铝层中的传播
图7超声波在铝层、冰层交界的传播
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图8超声波在冰层中的传播
由图8可知，当超声波从铝层传播到冰层中，由于2种介质声阻抗不同导致声波发生反射和透射。一部分超声波反射后返回超声波探头，另一部分超声波穿透铝层、冰层交界进入冰层中传播。在冰层顶端和空气交界的地方，同样由于2种介质声阻抗不同导致声波发生反射和透射。一部分超声波反射后返回超声波探头，另一部分超声波穿透冰层、空气交界进入空气中。在介质中，超声波传播过程中能量发生急剧衰减，声波的幅值会逐渐减小。图9为从超声波探头接收到的时域回波图。
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图9 铝层厚度4mm，冰层厚度17mm，时域回波图
2.2.4 仿真分析
脉冲频率为10MHz，铝层厚度为3mm，冰层厚度分别为3mm、7mm、17mm时，进行仿真。
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图10 铝层厚度3mm，冰层厚度3mm，时域回波图
这是铝层、冰层都是3毫米厚时,在铝和冰顶端反射的超声波的回波图。由上图10可知，超声波在冰中传播时间约1.5微秒，按冰厚公式计算约等于设定值3毫米。
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图11 铝层厚度3mm，冰层厚度7mm，时域回波图
这是铝层3毫米厚,冰层7毫米厚时,在铝和冰顶端反射的超声波的回波图。由上图11可知，超声波在冰中传播时间约3.5微秒，按冰厚公式计算约等于设定值7毫米。
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图12 铝层厚度3mm，冰层厚度17mm，时域回波图
这是铝层3毫米厚,冰层17毫米厚时,在铝和冰顶端反射的超声波的回波图。 由上图12可知，超声波在冰中传播时间约8.5微秒，按冰厚公式计算约等于设定值17毫米。
三、系统搭建
3.1结冰厚度测试系统搭建
在实验室搭建了基于超声回波的结冰厚度测试系统。由超声脉冲发射电路、超声脉冲接收电路、超声波探头、示波器组成。如下图13所示。
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图13 基于超声导波的结冰厚度测试系统
设计的超声脉冲发射电路、超声脉冲接收电路。分别如下图14和图15所示。选择的超声波探头，最大谐振频率10MHz。铝板厚度选择3mm。
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图14 超声脉冲发射电路
图15 超声脉冲接收电路
3.2基于半导体制冷的结冰台搭建
根据半导体制冷的基本原理（如下图16所示）。半导体N型材料有多余的电子，有负温差电势，P型材料电子不足，有正温差电势；当电子从P型穿过结点至N型时，结点的温度降低。相反，当电子从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高[7-8]。设计了半导体制冰平台，如下图17所示，用于实验结冰。
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图16 半导体制冷的基本原理
图17 半导体制冰平台
四、实验结果
铝板为3mm，分别在结冰厚度为3mm，7mm和17mm条件下，通过超声探头对结冰厚度进行测试，通过示波器记录回波信号。对结冰厚度通过卡尺多次测量求平均值，计算测量精度。
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图18 结冰厚度为3mm时的试验结果
由上图可知：t1 =1.37474401（us）；
t2=2.85051934（us）；
所以：t冰=t2-t1=1.47577533（us）；
H冰厚=t冰*c冰/2≈2.94mm；
卡尺多次测量，取平均冰厚3.07mm，超声波测量精度约4.2%。
图19 结冰厚度为7mm时的试验结果
由上图可知：t1 =1.26129594（us）；
t2=4.75678197（us）；
所以：t冰=t2-t1=3.49548603（us）；
H冰厚=t冰*c冰/2≈6.96mm；
卡尺多次测量，取平均冰厚7.18mm，超声波测量精度约3.1% 。
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由上图可知：t1 =1.26002885（us）；
t2=9.72109752（us）；
所以：t冰=t2-t1=8.46106867（us）；
H冰厚=t冰*c冰/2≈16.84mm；
卡尺多次测量，取平均冰厚17.24mm，超声波测量精度约2.3% 。
试验表明：随着结冰厚度的减小，冰层回波信号会耦合在铝板回波信号中，影响测量精度。冰层越薄，测量精度越低。
五、 结论与展望
5.1 结论
1）研究基于超声脉冲回波法的冰厚测试方法。构建了超声波在铝层、冰层中随时间变化的传播过程的仿真模型。
2）搭建了基于超声回波的结冰厚度测试系统。在3mm厚铝板上，测试系统测结冰厚度分别为2.94mm、6.96mm、16.84mm（卡尺测结冰厚度分别为3.07mm、7.18mm、17.24mm），精度分别为4.2%、3.1%、2.3%。
3）随着结冰厚度的减小，冰层回波信号会耦合在铝板回波信号中，影响测量精度。冰层越薄，测量精度越低。
4）实验结果表明基于超声导波的结冰厚度测试技术是可行的。
5.2 展望
1）该文选择钢性超声波探头，采取嵌入式或粘贴安装。后续将进一步研制柔性超声波探头，采取粘贴安装。满足被测部位不同材料结构、属性要求 。
2）针对随着结冰厚度减小，冰、铝回波耦合影响测量问题。以及不同铝厚情况下冰、铝回波耦合影响测量问题。后续考虑用多频的超声波信号解决问题。
3）由于实验条件有限，只研究了明冰，后续将进行霜冰和混合冰的研究。
参考文献:
[1]孟繁鑫，机翼结冰模拟中关键问题的研究[D]，南京，南京航空航天大学，2013；
[2]仝建辉，结冰对飞机适航性影响及试飞验证[D]，西安，西北工业大学，2000；
[3]张杰，飞机结冰探测技术[J]，仪器仪表学报，2006，第27卷（第12期），1578-1586
[4]张龙浩，光纤阵列式结冰探测系统的研究[D]，武汉，华中科技大学，2013；
[5]赵伟伟，超声导波技术用于飞机结冰探测的实验研究[J],压电与声光，2018，第40卷（第2期），269-275；
[6]贾浩正，飞机积冰厚度无标尺实时测量技术[J]，航空科学技术，2014，25期，63-67；
[7]贾艳婷，半导体制冷研究综述[J]，制冷，2012，第31卷（第1期），49-55;
[8]明强，飞行器结冰地面模拟试验平台设计与实现[D]，哈尔滨，哈尔滨工程大学，2017；
作者简介：吉陈力（1989），男，陕西韩城，硕士研究生，工程师，飞行试验测试技术研究，452408701@qq.com。