實驗名稱：超聲導(dǎo)波結(jié)冰探測系統(tǒng)及實驗研究

　　研究方向：對基于有限元軟件Ansys對不同結(jié)冰參數(shù)(長度和厚度)進行了模擬分析，在頻率為300Khz的激勵信號下，激發(fā)了S0和A0兩個Lamb波模態(tài)，分別研究了隨著參數(shù)改變兩個模態(tài)的改變特性，發(fā)現(xiàn)隨著冰厚度增長或長度增加，兩個模態(tài)的幅值會因為能量丟失發(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(dǎo)波結(jié)冰探測技術(shù)提供了一種分析的思路進行理論研究進行驗證,并得到冰層對超聲導(dǎo)波的影響規(guī)律，使用多對壓電傳感器，在監(jiān)測范圍內(nèi)使用信號提取的方法，用來反映結(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。

　　實驗?zāi)康模貉芯拷Y(jié)冰對導(dǎo)波波形的影響，并采集計算出用于確定結(jié)冰程度的特征量SDC:當有水或其他液體存在時，能通過截斷S0模態(tài)進而減小水對結(jié)冰的影響。在飛機遇到復(fù)雜的氣象條件時，能通過這一套探測系統(tǒng)可以將飛機整個結(jié)冰情況可視化，并且隨時監(jiān)控結(jié)冰區(qū)域的增長情況，給飛行員預(yù)警，保障飛行的安全。除此之外，整個探測系統(tǒng)還具有集成化、輕量化等優(yōu)點

　　測試設(shè)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型功率放大器進行能量放大、同時為了實現(xiàn)多個傳感器的信號接收因此使用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）。

　　實驗過程：從一個簡單且完整的超聲結(jié)冰探測系統(tǒng)是一個信號發(fā)射-接收系統(tǒng)，需要一個信號發(fā)射系統(tǒng)、傳感器、模型和接收系統(tǒng)。通過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，會發(fā)生一系列的變化，然后通過在另一側(cè)的接收壓電片利用壓電效應(yīng)接收到交變電壓信號,然后利用采集系統(tǒng)將接收到的信號采集到上位機中進行觀察處理。

　　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,本文設(shè)計了如下的系統(tǒng)流程圖的超聲導(dǎo)波結(jié)冰定位與成像系統(tǒng)。由8對傳感器用作指定區(qū)域的監(jiān)測，整套系統(tǒng)還包括主機、信號發(fā)生器、功率放大器、開關(guān)和信號采集卡。整個系統(tǒng)集成在Labview平臺上，在主機上控制信號發(fā)生器發(fā)射一個激勵信號，然后將激勵信號進行功率放大，然后將放大后的激勵信號進行選擇發(fā)射，選擇功能由開關(guān)實現(xiàn)，即每一次發(fā)射僅有一個發(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采集卡在傳輸?shù)街鳈C上觀察分析。依次讓每個發(fā)射壓電片工作依次，一次會采集到8個信號，則一次完整的采集會有8x8=64組信號，然后通過定位算法和成像算法將分析結(jié)冰信息并且在主機上給出結(jié)冰的位置和程度。

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

　　為了更好的研究結(jié)冰對超聲導(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個傳感器:在結(jié)冰探測開始前，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(qū)域的中間激發(fā)一個信號，觀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，即可以開始結(jié)冰監(jiān)測。然后開始實驗時首先在冷環(huán)境中測量一組無冰時的數(shù)據(jù):然后在把水滴滴到鋁板上，在凍結(jié)后再進行數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集時，1個傳感器在發(fā)射信號，其余15個傳感器接收信號。如此，當16個傳感器完成一個工作循環(huán)，共采集16x15=240組數(shù)據(jù)。

　　在驗證了概率重構(gòu)算法和定位算法的正確性后，為了研究更具實際意義的布局，在此次實驗中，采用16個傳感器進行平行布局，平行線間距為300mm，如圖4.17所示。類似圓形布局，整個實驗裝置在冷環(huán)境中進行，首先采集無冰時候的信號，再把水滴到板上凍結(jié)成冰后再采集一組信號。在采集數(shù)據(jù)時，是一側(cè)8個傳感器依次發(fā)射信號，當某1個傳感器發(fā)射信號時，平行線另一側(cè)8個傳感器接收信號。這樣，當完成一個工作循環(huán)時，共采集8x8=64組數(shù)據(jù)。

　　實驗結(jié)果：在labview平臺上，使用概率重構(gòu)與成像算法，處理實驗中采集到的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4.15所示，圖中各點處的強度值越大，則結(jié)冰的可能性就越大，在此次實驗中，成像圖中最大的結(jié)冰概率為3.1左右，整個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(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這一對傳感器的SDC值最大，并且往兩邊呈減小的趨勢。，結(jié)冰主要是在1-8這對傳感器的連線上，因此SDC值的算法所基于的假設(shè)是合理的。

　　在labview平臺上觀察從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(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，但整體趨勢是正確的。

　　本文實驗素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機都支持免費試用。公司致力于功率放大器、功率信號源、計量校準源等產(chǎn)品為核心的相關(guān)行業(yè)測試解決方案的研究，為用戶提供具有競爭力的測試方案，Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機都支持免費試用。如想了解更多功率放大器等產(chǎn)品