實驗名稱：超聲導波結冰探測系統(tong)及(ji)實驗研究(jiu)

　　研究(jiu)方向：對(dui)(dui)基(ji)于有限元軟件(jian)Ansys對(dui)(dui)不(bu)同結(jie)冰參數(長(chang)度(du)(du)(du)(du)和厚(hou)度(du)(du)(du)(du))進行(xing)了(le)(le)模(mo)(mo)(mo)擬分析(xi)，在(zai)頻率為300Khz的激(ji)勵信(xin)號下，激(ji)發(fa)了(le)(le)S0和A0兩(liang)個(ge)Lamb波(bo)模(mo)(mo)(mo)態(tai)(tai)，分別研究(jiu)了(le)(le)隨著參數改變(bian)兩(liang)個(ge)模(mo)(mo)(mo)態(tai)(tai)的改變(bian)特性(xing)，發(fa)現隨著冰厚(hou)度(du)(du)(du)(du)增(zeng)長(chang)或長(chang)度(du)(du)(du)(du)增(zeng)加，兩(liang)個(ge)模(mo)(mo)(mo)態(tai)(tai)的幅值(zhi)會因(yin)為能量(liang)丟失發(fa)生線性(xing)的衰(shuai)(shuai)減(jian)(jian)，且(qie)S0模(mo)(mo)(mo)態(tai)(tai)衰(shuai)(shuai)減(jian)(jian)更為明顯;除(chu)了(le)(le)幅值(zhi)衰(shuai)(shuai)減(jian)(jian)還有峰值(zhi)發(fa)生了(le)(le)不(bu)同程度(du)(du)(du)(du)的滯后(hou)，且(qie)長(chang)度(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)峰值(zhi)滯后(hou)的影響(xiang)(xiang)更大，厚(hou)度(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)幅值(zhi)衰(shuai)(shuai)減(jian)(jian)影響(xiang)(xiang)更大。雖然該算例(li)不(bu)具有普適性(xing)，但為研究(jiu)超聲(sheng)導波(bo)結(jie)冰探測技(ji)術提供了(le)(le)一種分析(xi)的思路進行(xing)理(li)論研究(jiu)進行(xing)驗證,并得到冰層對(dui)(dui)超聲(sheng)導波(bo)的影響(xiang)(xiang)規(gui)律，使用多對(dui)(dui)壓電(dian)傳感器(qi)，在(zai)監(jian)測范(fan)圍內使用信(xin)號提取的方法(fa)(fa)，用來反(fan)(fan)映結(jie)冰信(xin)息，最(zui)終以成像的方法(fa)(fa)將結(jie)冰信(xin)息反(fan)(fan)映到屏幕上，將結(jie)冰可視化。

　　實驗目的(de)(de)：研究結(jie)(jie)冰對導波波形的(de)(de)影響(xiang)，并采(cai)集計(ji)算出用于確定結(jie)(jie)冰程度的(de)(de)特(te)征量SDC:當有(you)水或(huo)其他液(ye)體存在時(shi)，能通(tong)過(guo)截(jie)斷(duan)S0模(mo)態進而減小水對結(jie)(jie)冰的(de)(de)影響(xiang)。在飛(fei)機遇到(dao)復(fu)雜的(de)(de)氣象條件(jian)時(shi)，能通(tong)過(guo)這一套探測系(xi)統可以(yi)將飛(fei)機整個結(jie)(jie)冰情況(kuang)可視(shi)化(hua)，并且(qie)隨時(shi)監控結(jie)(jie)冰區域(yu)的(de)(de)增長情況(kuang)，給飛(fei)行員預警，保障飛(fei)行的(de)(de)安全。除此之外，整個探測系(xi)統還具(ju)有(you)集成化(hua)、輕量化(hua)等優點

　　測試設備：泰(tai)克AFG3022C型任意(yi)波形(xing)信(xin)號(hao)發生器(qi)作(zuo)為(wei)信(xin)號(hao)源、信(xin)號(hao)發生器(qi)產出的信(xin)號(hao)經由(you)Aigtek公(gong)司(si)(si)的ATA-8202型功率放大(da)器(qi)進行能量放大(da)、同時(shi)為(wei)了(le)實現多個傳感器(qi)的信(xin)號(hao)接收因此(ci)使用NI公(gong)司(si)(si)的2527多路(lu)開關作(zuo)為(wei)切(qie)換器(qi)、采集卡為(wei)阿爾(er)泰(tai)公(gong)司(si)(si)的ART-PXI8502S以及壓電陶瓷(ci)（PZT-5A）。

　　實(shi)驗(yan)過程：從一(yi)個(ge)簡單且完整的超聲(sheng)結冰探測系統是一(yi)個(ge)信號發(fa)(fa)射(she)-接(jie)收系統，需(xu)要一(yi)個(ge)信號發(fa)(fa)射(she)系統、傳(chuan)感器、模型和接(jie)收系統。通(tong)過在鋁板模型表面的壓(ya)電發(fa)(fa)射(she)傳(chuan)感器激發(fa)(fa)超聲(sheng)導波，超聲(sheng)導波在鋁板上(shang)傳(chuan)播(bo)遇到冰層(ceng)時(shi)，會發(fa)(fa)生一(yi)系列(lie)的變化，然后通(tong)過在另(ling)一(yi)側的接(jie)收壓(ya)電片利(li)用(yong)壓(ya)電效(xiao)應接(jie)收到交變電壓(ya)信號,然后利(li)用(yong)采(cai)集系統將接(jie)收到的信號采(cai)集到上(shang)位機中進行觀察處(chu)理。

　　如(ru)果要得(de)到更多的(de)(de)結冰(bing)(bing)信(xin)息，如(ru)結冰(bing)(bing)位(wei)置(zhi)和結冰(bing)(bing)程(cheng)度(du)則(ze)還需要更多的(de)(de)傳感器(qi)對,本(ben)文(wen)設計(ji)了如(ru)下(xia)的(de)(de)系(xi)統流程(cheng)圖(tu)的(de)(de)超聲導波(bo)結冰(bing)(bing)定(ding)位(wei)與(yu)成像系(xi)統。由8對傳感器(qi)用作指定(ding)區域的(de)(de)監測，整套系(xi)統還包括主機(ji)、信(xin)號(hao)(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)、功(gong)率(lv)(lv)放大(da)器(qi)、開(kai)關(guan)和信(xin)號(hao)(hao)采(cai)集(ji)卡。整個(ge)系(xi)統集(ji)成在Labview平臺上(shang)，在主機(ji)上(shang)控制(zhi)信(xin)號(hao)(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)發(fa)射(she)(she)一(yi)個(ge)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)(hao)，然(ran)后(hou)(hou)將(jiang)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)(hao)進行功(gong)率(lv)(lv)放大(da)，然(ran)后(hou)(hou)將(jiang)放大(da)后(hou)(hou)的(de)(de)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)(hao)進行選擇發(fa)射(she)(she)，選擇功(gong)能由開(kai)關(guan)實(shi)現(xian)，即每一(yi)次(ci)(ci)(ci)發(fa)射(she)(she)僅有(you)一(yi)個(ge)發(fa)射(she)(she)壓(ya)電(dian)(dian)片(pian)工(gong)作，而接(jie)收壓(ya)電(dian)(dian)片(pian)是(shi)一(yi)起工(gong)作，將(jiang)接(jie)收到的(de)(de)信(xin)號(hao)(hao)通過采(cai)集(ji)卡在傳輸到主機(ji)上(shang)觀(guan)察分析。依次(ci)(ci)(ci)讓每個(ge)發(fa)射(she)(she)壓(ya)電(dian)(dian)片(pian)工(gong)作依次(ci)(ci)(ci)，一(yi)次(ci)(ci)(ci)會采(cai)集(ji)到8個(ge)信(xin)號(hao)(hao)，則(ze)一(yi)次(ci)(ci)(ci)完(wan)整的(de)(de)采(cai)集(ji)會有(you)8x8=64組信(xin)號(hao)(hao)，然(ran)后(hou)(hou)通過定(ding)位(wei)算法和成像算法將(jiang)分析結冰(bing)(bing)信(xin)息并且在主機(ji)上(shang)給出結冰(bing)(bing)的(de)(de)位(wei)置(zhi)和程(cheng)度(du)。

　　兩(liang)種結冰探(tan)測技術軟件均基于LabVIEW平(ping)臺開(kai)發(fa)，LabVIEW平(ping)臺是美國(guo)國(guo)家儀(yi)器公(gong)司(si)開(kai)發(fa)的(de)(de)(de)一種圖形化編(bian)程(cheng)語(yu)言，和C語(yu)言類似,也是有通(tong)用的(de)(de)(de)編(bian)程(cheng)系統，通(tong)過前面(mian)板(ban)的(de)(de)(de)交互界面(mian)和后面(mian)板(ban)的(de)(de)(de)程(cheng)序(xu)界面(mian)的(de)(de)(de)連接(jie)，可(ke)以把軟件進行可(ke)視(shi)化編(bian)程(cheng)。

　　為了(le)更好的(de)研究(jiu)結冰對(dui)超聲導波的(de)影響，選用了(le)連接線密度最高(gao)的(de)圓形(xing)布局，直徑為300mm，如(ru)圖4.14所(suo)示，一(yi)共采用了(le)16個(ge)傳感(gan)器(qi)(qi):在(zai)(zai)結冰探(tan)測開始前，首(shou)(shou)先判(pan)斷(duan)傳感(gan)器(qi)(qi)是否正常工作，需(xu)對(dui)傳感(gan)器(qi)(qi)信號(hao)(hao)做(zuo)檢測，在(zai)(zai)區域的(de)中間激發一(yi)個(ge)信號(hao)(hao)，觀察(cha)其(qi)他(ta)傳感(gan)器(qi)(qi)接收(shou)到的(de)信號(hao)(hao)是否一(yi)致，如(ru)果一(yi)致則表明(ming)傳感(gan)器(qi)(qi)正常工作，即可以開始結冰監測。然后(hou)開始實驗時(shi)首(shou)(shou)先在(zai)(zai)冷環(huan)境中測量一(yi)組(zu)無冰時(shi)的(de)數(shu)(shu)據(ju):然后(hou)在(zai)(zai)把水滴(di)滴(di)到鋁板(ban)上(shang)，在(zai)(zai)凍結后(hou)再進(jin)行數(shu)(shu)據(ju)采集。在(zai)(zai)數(shu)(shu)據(ju)采集時(shi)，1個(ge)傳感(gan)器(qi)(qi)在(zai)(zai)發射信號(hao)(hao)，其(qi)余15個(ge)傳感(gan)器(qi)(qi)接收(shou)信號(hao)(hao)。如(ru)此(ci)，當(dang)16個(ge)傳感(gan)器(qi)(qi)完(wan)成一(yi)個(ge)工作循環(huan)，共采集16x15=240組(zu)數(shu)(shu)據(ju)。

　　在驗證了(le)(le)概率(lv)重構算法和定位算法的(de)正(zheng)確性后，為(wei)了(le)(le)研究(jiu)更具實際意義的(de)布局(ju)，在此次(ci)實驗中(zhong)，采用16個(ge)傳感器進(jin)行(xing)平(ping)(ping)行(xing)布局(ju)，平(ping)(ping)行(xing)線間距(ju)為(wei)300mm，如圖4.17所示。類似圓形布局(ju)，整個(ge)實驗裝(zhuang)置在冷環(huan)境中(zhong)進(jin)行(xing)，首先采集無(wu)冰時候的(de)信號(hao)(hao)(hao)，再(zai)把水滴到板上凍結成冰后再(zai)采集一(yi)組(zu)信號(hao)(hao)(hao)。在采集數據(ju)時，是一(yi)側8個(ge)傳感器依次(ci)發(fa)射信號(hao)(hao)(hao)，當某1個(ge)傳感器發(fa)射信號(hao)(hao)(hao)時，平(ping)(ping)行(xing)線另一(yi)側8個(ge)傳感器接收信號(hao)(hao)(hao)。這樣，當完成一(yi)個(ge)工作循環(huan)時，共采集8x8=64組(zu)數據(ju)。

　　實(shi)(shi)驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果：在labview平(ping)臺上，使用概率重構(gou)與成像(xiang)算法，處(chu)(chu)理實(shi)(shi)驗(yan)(yan)中(zhong)(zhong)(zhong)采集(ji)到的(de)數據，結(jie)(jie)果如圖4.15所(suo)示，圖中(zhong)(zhong)(zhong)各點處(chu)(chu)的(de)強度(du)值越(yue)(yue)大(da)，則結(jie)(jie)冰(bing)(bing)的(de)可能(neng)性就越(yue)(yue)大(da)，在此次實(shi)(shi)驗(yan)(yan)中(zhong)(zhong)(zhong)，成像(xiang)圖中(zhong)(zhong)(zhong)最大(da)的(de)結(jie)(jie)冰(bing)(bing)概率為3.1左右，整個(ge)成像(xiang)圖能(neng)較(jiao)好(hao)的(de)反映出結(jie)(jie)冰(bing)(bing)位置和(he)結(jie)(jie)冰(bing)(bing)情況(kuang)，

　　以最下(xia)邊(bian)的(de)1號傳(chuan)感器(qi)為例計算傳(chuan)感器(qi)2~16采集到(dao)的(de)信(xin)號在(zai)兩種情況下(xia)的(de)前(qian)后(hou)SDC，結果如圖4.16所示

　　從圖4.16中(zhong)看(kan)出，在結冰(bing)后采集到的(de)(de)(de)數據中(zhong)，1-8這一對傳感器(qi)的(de)(de)(de)SDC值最大，并且往(wang)兩邊呈減小(xiao)的(de)(de)(de)趨勢。，結冰(bing)主要(yao)是在1-8這對傳感器(qi)的(de)(de)(de)連線(xian)上，因此(ci)SDC值的(de)(de)(de)算法所基于的(de)(de)(de)假(jia)設是合(he)理的(de)(de)(de)。

　　在(zai)labview平臺上觀(guan)察從S1發射傳感器(qi)和S4發射傳感器(qi)的(de)兩組(zu)信號的(de)SDC值(zhi)，如圖4.18所示(shi)，可以看(kan)出(chu)在(zai)冰層存在(zai)于連線對上的(de)SDC均偏大(da)(da)，S1傳感器(qi)發射的(de)信號在(zai)R4以后均較大(da)(da)，S4傳感器(qi)的(de)信號只是(shi)中間大(da)(da)，這也證(zheng)明了(le)前面的(de)SDC假設和概率重構算(suan)法的(de)正確性。

　　由圖(tu)4.19可(ke)看(kan)出，結冰(bing)程度最嚴重的(de)地方在中心線(xian)附件，沿上下兩邊延伸。矩形布局在結冰(bing)圖(tu)像(xiang)上也能(neng)較好的(de)反(fan)映出結冰(bing)狀況，雖然局部(bu)有一定的(de)誤(wu)差，但整體(ti)趨勢是正確的(de)。

　　本文實驗素(su)材由(you)西安(an)(an)安(an)(an)泰電子整理發布。Aigtek已經成為(wei)(wei)在業界擁有廣(guang)泛(fan)產(chan)品(pin)(pin)線(xian)(xian)，且具(ju)有相(xiang)當規模的(de)儀器設(she)備供(gong)應商，樣機都支持免(mian)費試用。公司致力于功率(lv)放(fang)大器、功率(lv)信號源、計量校準(zhun)源等(deng)產(chan)品(pin)(pin)為(wei)(wei)核心的(de)相(xiang)關行業測試解決方案的(de)研究，為(wei)(wei)用戶(hu)提(ti)供(gong)具(ju)有競爭力的(de)測試方案，Aigtek已經成為(wei)(wei)在業界擁有廣(guang)泛(fan)產(chan)品(pin)(pin)線(xian)(xian)，且具(ju)有相(xiang)當規模的(de)儀器設(she)備供(gong)應商，樣機都支持免(mian)費試用。如想了解更多(duo)功率(lv)放(fang)大器等(deng)產(chan)品(pin)(pin)，請(qing)持續(xu)關注(zhu)安(an)(an)泰電子官網hkdyw.cn或撥(bo)打029-88865020。