一种用于结冰检测的微波柔性阵列传感器

1.本发明属于传感器领域，尤其涉及一种用于结冰检测的微波柔性阵列传感器领域。


背景技术：

2.结冰是液态水在0℃以下变为固态的过程，冬季结冰现象普遍发生，在很多重要领域，不及时除冰会带来极大的经济损失，影响正常的生产生活，危害人身安全，特别是在无人机领域。与载人飞机相比，机身尺寸更小、飞行速度更慢的无人机更容易结冰，结冰问题已经成为阻碍无人机发展的一个重要问题。基于以上情境，及时探知无人机是否结冰，更进一步的，测出结冰厚度、判断结冰类型，传递结冰信息到控制器或向工作人员发出预警，将大大减小无人机结冰造成的损失，降低结冰危害。
3.载人飞机结冰传感器的研究已有很长的历史，国内外已经研制出了多种不同形式的结冰传感器，例如美国rosemount公司研制的87系列磁致伸缩式结冰传感器、美国innovative dynamics公司研制的电容式结冰传感器、英国lucas航空公司研制的障碍式结冰传感器等，但这些传感器几乎都因为其成本、体积、检测速度慢等原因，难以直接使用在无人机上。同时，大部分载人飞机上的结冰传感器都是基于单点测量结冰的，难以满足无人机上测量多点厚度的要求。
4.微波谐振式传感器主要通过传输线激励开口环式谐振器(srr)，和互补开口环式谐振器(csrr)等谐振单元，从而建立待测量与谐振特性间的映射关系，可实现非接触式、实时、高精度检测，同时制造工艺简单、成本低、稳定性高、体积小，因此成为近年来研究的热点。文献“modified microwave sensor with a patterned ground heater for detection and prevention of ice accumulation”中设计了一种srr，它可以通过检测其表面或周围介电特性的变化来有效区分水和冰，以研究实时冰霜生长，然而开口环式谐振器对冰层厚度的变化不敏感，不能得到准确的冰层厚度数值。并且传统的传感器一般为刚性，例如专利cn 217002167u一种应用于风机叶片的结冰传感器无法弯曲、折叠、延展，不能与复杂表面贴合，对被测平面的要求高，适用场景有限。
5.因此，本领域亟待提出一种检测冰层形状的柔性微波阵列传感器，适用于不同面积的被测表面且与被测表面较好贴合。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种能够解决上诉问题的用于结冰检测的微波柔性阵列传感器。
7.一种用于结冰检测的微波柔性阵列传感器，主要包括：中心的柔性基底层4、紧密贴合于柔性基底层4两侧的上柔性介质层3和下柔性介质层6、贴合于上柔性介质层3上的敏感阵元1和金属微带线5结构、贴合于下柔性介质层6上的金属参考地2；
8.所述敏感阵元1和金属微带线5结构为在同一金属层上刻蚀得到的阵列结构，所述敏感阵元1以一维或二维形式均匀排列在上柔性介质层3上，每个敏感阵元1两侧由向外延
伸的金属微带线5将微波信号引出；
9.所述各敏感阵元1为在金属片31的基础上，从外到内依次刻蚀出与敏感振元结构同心的耦合外环32、开口互补的外谐振环33和内谐振环34、耦合叉指结构35；所述金属片31形状为圆形、椭圆形、正多边形结构，刻蚀后得到的各敏感阵元1为具有镂空部分的对称性结构；
10.所述耦合外环32刻蚀在敏感振元最外侧，是一个完整圆环的一部分，角度一般取90
°
～270
°
，所述外谐振环33和内谐振环34刻蚀在耦合外环32的里侧，均为不完整圆环且开口朝向相差180
°
，从而两者形成互补位置关系，为增大检测精度可保留圆环内部一部分只刻蚀边缘形成镂空互补圆环，所述叉指结构35刻蚀在小的互补空心谐振环34里侧且开口朝向与其相同。
11.更进一步的，要保证在单个敏感振元内部刻蚀的图形关于金属微带线5对称，图形尺寸可根据敏感振元的大小进行调整，相邻环的间距和各环环宽最好保持在敏感振元半径的
[0012][0013]
更进一步的，所述耦合叉指结构35由外部不完整圆环和里侧与环连通的长条组合成对称结构，长条从圆环内部延伸至与敏感振元圆心距离最近处截止且与金属微带线5平行，指数即长条条数为1～9。
[0014]
更优地，所述柔性介质层3和6的厚度为0.01mm～1mm之间，材料一般为聚脂薄膜(pet)或聚酰亚胺(pi)等质量轻、厚度薄、可自由弯曲折叠的材料。
[0015]
更优地，所述柔性基底层4的厚度为0.1mm～10mm之间，材料一般为聚二甲基硅氧烷(pdms)、液晶聚合物(lcp)、脂肪族芳香族无规共聚酯(ecoflex)等柔性、耐腐蚀、耐冲击且化学性质稳定的材料。
[0016]
更优地，所述金属参考地2和金属微带线5厚度在0.01mm～1mm之间,材料一般为铜、金等金属材料，所述金属微带线5的基本尺寸由馈线的阻抗、柔性介质层3和6的材料与厚度、柔性基底层4的材料与厚度决定，以实现对应阻抗匹配。
[0017]
所述金属参考地2、柔性介质层3和6、柔性基底层4长宽尺寸均根据阵列敏感阵元1的尺寸和排列方式变化，每个敏感阵元对应于一个1～20mm边长的方形区域，相同尺寸的敏感阵元越多，敏感振元1尺寸越大，器件尺寸就越大。
[0018]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0019]
1.实验验证，面积相同的方形环和圆环在相同的激励下，圆环对被测样品介电常数表征有更高的灵敏度和品质因数；所述外谐振环33和内谐振环34构成互补分环谐振器(csrr)，csrr的实现提供了窄的插入损耗带宽，因此其电容对放置在敏感振元1上的物品非常敏感，即陷波频率对冰层介电常数的变化非常敏感使其在品质因数和精度方面优于传统的平面谐振器传感器；进一步加入额外的环对传感器的性能影响非常小，且耦合外环32使谐振器等效电容增加，增加边缘电场，从而更好地与测试样品相互作用；敏感振元1中心的叉指结构，增强了敏感振元1上的电场密度，具有扩展的电容耦合间隙，从而实现小型化，重要的是对冰层厚度变化更敏感。和现有结构的敏感振元比较下，本发明采用的结构对冰层
厚度变化更敏感，敏感振元中的图形相互耦合，增加了等效电容，厚度每增加0.1mm，谐振频率和幅值有明显的变化，使检测结果更精确。
[0020]
2.本发明采用柔性介质基板，与传统的刚性介质基板相比，可贴附在曲面而非局限在平面，还能实现叉指敏感振元与被测冰层较好贴合，提高测量了精度；本发明将敏感振元1结构刻蚀在金属微带线5上，而非传统的金属参考地2上，使测量结果只表征冰层厚度，避免了贴附表面对谐振电磁场的影响，且本方法谐振频率低，对冰层以外环境的变化不敏感，起到隔离外界环境的作用，综上可知本发明测量结果更准确，且可以应用于实际。
[0021]
3.本发明采用谐振法，谐振法以其设计简单、制造成本低、易于微型化和实时监测等优点而备受青睐，测量时直接将被测冰层放置在敏感振元上即可，无需对被测材料样品做任何处理加工，实现无损检测的目的；除此之外，本发明采用采用阵列敏感阵元的设计思路，振元密度、大小、数量均可根据被测区域大小和测量精度设计调整，并非传统的尺寸固定的传感器，极大地扩展了使用场景。
附图说明
[0022]
图1是本发明提供的一种检测冰层形状的微波柔性阵列传感器安装在机翼上的使用场景图。
[0023]
图2是本发明提供的一种检测冰层形状的微波柔性阵列传感器的正面结构示意图。
[0024]
图3是本发明提供的一种检测冰层形状的微波柔性阵列传感器的背面结构示意图。
[0025]
图4是本发明提供的一种检测冰层形状的微波柔性阵列传感器敏感振元的结构示意图。
[0026]
图5是本发明提供的一种检测冰层形状的微波柔性阵列传感器检测不同厚度冰层的s参数-频率模拟图(b)和现有的结冰传感器检测不同厚度冰层的s参数-频率模拟图(a)的对比情况。
[0027]
图6是本发明提供的一种检测冰层形状的微波柔性阵列传感器检测冰层厚度操作流程图。
[0028]
图中，1-阵列敏感阵元、2-金属参考地、3-柔性介质层、4-柔性基底层、5-金属微带线、31-金属圆片、32-半圆环32、33-外环、34-内环、35-叉指结构。
具体实施方式
[0029]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更清晰，以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式。应当理解，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，并不用于限定本发明。此外，以下各实施方式中所涉及到的技术特征以及提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，所涉及到的技术特征可以相互组合。
[0030]
图1是本发明提供的一种检测冰层形状的微波柔性阵列传感器安装在机翼上的使用场景图。图中所示为微波柔性阵列结冰传感器6用于检测无人机结冰情况时被安装在机翼7易结冰区域的示例。
[0031]
如图2、图3所示是本发明提供的一种检测冰层形状的微波柔性阵列结冰传感器的
结构示意图，包括阵列敏感阵元1、金属参考地2、柔性介质层3、柔性基底层4和金属微带线5。阵列敏感振元1两边连接金属微带线5，金属微带线5延伸至传感器边缘，以便接入射频检测电路。传感器结构由顶面到底面依次为阵列敏感振元1、金属微带线5结构、柔性基底层3、柔性介质层4、柔性基底层3、金属参考地2，各部分紧密贴合。微波穿过金属参考地2和金属微带线5之间的区域，在某一频段出现谐振现象，使微波以驻波形式存在，此时阻抗为纯实数，损耗功率达到最大，可等效为lc电路。基于以上分析和计算，本发明提供的金属参考地2长度为80mm，宽度为40mm,厚度为0.03mm；柔性基底层3厚度为0.5mm；柔性介质层4长度为80mm，宽度为40mm,厚度为3mm，相对介电常数为4.4，正切损耗值为0.22。阵列敏感振元1排列在柔性衬底层宽的对称轴上，敏感振元圆心与相邻的宽边距离为10mm，相邻敏感振元圆心的距离为20mm，金属微带线关于敏感振元圆心对称延伸至柔性衬底层边缘，宽度为2.6mm。在本发明的优选方案中，金属参考地2和金属微带线5材料为铜，柔性基底层3和柔性介质层4选用pdms材料。
[0032]
图4是本发明提供的一种检测冰层形状的微波柔性阵列传感器敏感振元的结构示意图。敏感振元1刻蚀在金属微带线5的中心，在金属圆片31上从外到内依次刻蚀半圆环32、互补开口谐振环(外环33和内环34)、叉指结构35。金属圆片31半径为7mm；半圆环32内环半径6.25mm，外环半径6.75mm，圆心与金属圆片31的圆心重合；外开口圆环33内半径5mm，外半径6mm，刻蚀区域为边线向内0.25mm；内开口圆环34内半径3mm，外半径4mm，刻蚀区域为边线向内0.25mm；叉指结构35由0.5mm宽，内圆半径为3.25的半圆环和在其对称轴上宽为0.5mm，连接圆片31的圆心和半圆环的指组成。
[0033]
图5是本发明提供的一种检测冰层形状的微波柔性阵列传感器检测不同厚度冰层的s参数-频率模拟图(b)和现有的结冰传感器检测不同厚度冰层的s参数-频率模拟图(a)的对比情况。模拟两种传感器检测冰层厚度为0mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm时s参数的变化，并截取s参数最小的频段，可以明显看出，本发明在结冰厚度改变时频率变化更明显，即本发明对冰层形状的检测更加敏感、准确。
[0034]
图6是本发明提供的一种检测冰层形状的微波柔性阵列传感器检测冰层厚度操作流程图。本发明基于阵列开展结冰厚度、结冰速率、结冰形状的获取，具体分为两步。首先采集传感器输出信号，获得每个阵列单元的s参数。获得微波超材料传感器单元的s参数以后，第二步需要根据s参数求解结冰厚度、结冰速率、结冰冰形信息。结冰厚度信息的获取首先需要对传感器在不同冰厚下的谐振频率或者幅值进行数据拟合建立冰厚与谐振频率/幅值的对应数据库，然后根据获得的s参数与数据库进行对比，便可以获得当前的结冰厚度；因为传感器具备实时检测的能力以将不同时间段的结冰厚度之差与时间进行比较，便可以获得相应的结冰速率。本发明结冰传感器具有多个阵列，因此能够测量多个点的结冰厚度，通过对冰层在机翼面同一位置处法线方向的多点位的厚度的测量进行数据拟合便可以获得机翼结冰的冰形；最后，将所获得结冰厚度、结冰速率送入上位机与所设置的阙值进行对比，为除冰、预警、返航等指令提供参考。根据每分钟结冰厚度确定飞机结冰严重程度的经典表如表1所示。由于本发明在响应时间、检测范围、检测精度和成本等方面具有优势，因此特别适用于无人机结冰检测。
[0035]
表1飞机结冰严重程度和每分钟结冰厚度的关系
[0036][0037]
检测冰层形状的微波柔性阵列传感器其制作方法具体包括以下步骤：
[0038]
步骤1：利用化学刻蚀电路板的方法，以所述柔性介质层为材料，直接刻蚀带金属层的柔性介质层，第一步是开料，把最开始的覆铜板切割成板子；第二步是电镀铜；第三步是清洗；第四步是贴干膜；第五步是曝光
→
显影
→
蚀刻；第六步是清洗；第七步是去膜；第八步是层压。分别得到带金属参考地的4个底层柔性介质层和带金属微带线和敏感阵元的4个顶层柔性介质层；
[0039]
步骤2；用cnc切割的方法得到长度为110mm，宽度为20mm和深度为1mm的亚克力磨具；
[0040]
步骤3：将ecoflex00-30的a胶和b胶按照1：1的比例混合，使用真空离心搅拌机将混合后的胶体充分搅拌直至均匀，然后倒入亚克力基底模具中，再将柔性基底层材料连同模具放置在恒温恒湿箱进行固化处理，设置恒温箱温度为50
°
，湿度为80％，固化时间为60分钟，得到所述柔性基底层；
[0041]
步骤4：将4个顶层柔性介质层的空白面按照20mm的间隔与柔性基底层紧密贴合；将4个底层柔性介质层的空白面按照20mm的间隔与柔性基底层另一面紧密贴合，得到1
×
4的用于检测冰层形状无人机结冰检测的微波柔性阵列结冰传感器，注意顶层柔性介质层和底层柔性介质层需要一一对应。
[0042]
上述实施例仅用于说明本发明的技术方案，本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非是对于本发明的限制，本发明也并非仅限于上述实例，在本发明的技术方案原则内进行修改或等同替换，只要符合本发明方法的要求的，均应涵盖在本发明的保护范围当中。

技术特征：
1.一种用于结冰检测的微波柔性阵列传感器，其特征在于，主要包括：中心的柔性基底层4、紧密贴合于柔性基底层4两侧的上柔性介质层3和下柔性介质层6、贴合于上柔性介质层3上的敏感阵元1和金属微带线5结构、贴合于下柔性介质层6上的金属参考地2；所述敏感阵元1和金属微带线5结构为在同一金属层上刻蚀得到的阵列结构，所述敏感阵元1以一维或二维形式均匀排列在上柔性介质层3上，每个敏感阵元1两侧由向外延伸的金属微带线5将微波信号引出；所述各敏感阵元1为在金属片31的基础上，从外到内依次刻蚀出与敏感振元结构同心的耦合外环32、开口互补的外谐振环33和内谐振环34、耦合叉指结构35；所述金属片31形状为圆形、椭圆形、正多边形结构，刻蚀后得到的各敏感阵元1为具有镂空部分的对称性结构；所述耦合外环32刻蚀在敏感振元最外侧，是一个完整圆环的一部分，角度一般取90
°
～270
°
，所述外谐振环33和内谐振环34刻蚀在耦合外环32的里侧，均为不完整圆环且开口朝向相差180
°
，从而两者形成互补位置关系，为增大检测精度可保留圆环内部一部分只刻蚀边缘形成镂空互补圆环，所述叉指结构35刻蚀在小的互补空心谐振环34里侧且开口朝向与其相同。2.一种如权利要求1所述用于结冰检测的微波柔性阵列传感器，其特征在于，在所述单个敏感振元1内部刻蚀的图形关于金属微带线5对称，相邻环的间距和各环环宽保持在敏感振元半径的3.一种如权利要求1所述用于结冰检测的微波柔性阵列传感器，其特征在于，所述耦合叉指结构35由外部不完整圆环和里侧与环连通的长条组合成对称结构，长条从圆环内部延伸至与敏感振元圆心距离最近处截止且与金属微带线5平行，指数即长条条数为1～9。4.一种如权利要求1所述用于结冰检测的微波柔性阵列传感器，其特征在于，所述柔性介质层3和6的厚度为0.01mm～1mm之间，材料为聚脂薄膜或聚酰亚胺。5.一种如权利要求1所述用于结冰检测的微波柔性阵列传感器，其特征在于，所述柔性基底层4的厚度为0.1mm～10mm之间，材料为聚二甲基硅氧烷、液晶聚合物或脂肪族芳香族无规共聚酯。6.一种如权利要求1所述用于结冰检测的微波柔性阵列传感器，其特征在于，所述金属参考地2和金属微带线5厚度在0.01mm～1mm之间。

技术总结
本发明公开了一种用于结冰检测的微波柔性阵列传感器，属于传感器领域。传感器主要包括：中心的柔性基底层4、紧密贴合于柔性基底层4两侧的上柔性介质层3和下柔性介质层6、贴合于上柔性介质层3上的敏感阵元1和金属微带线5结构、贴合于下柔性介质层6上的金属参考地2。本发明中外谐振环33和内谐振环34构成互补分环谐振器(CSRR)，CSRR的实现提供了窄的插入损耗带宽，因此其电容对放置在敏感振元1上的物品非常敏感，即陷波频率对冰层介电常数的变化非常敏感使其在品质因数和精度方面优于传统的平面谐振器传感器；进一步加入额外的环对传感器的性能影响非常小，且耦合外环32使谐振器等效电容增加，增加边缘电场，从而更好地与测试样品相互作用；敏感振元1中心的叉指结构，增强了敏感振元1上的电场密度，具有扩展的电容耦合间隙，从而实现小型化，重要的是对冰层厚度变化更敏感。度变化更敏感。度变化更敏感。


技术研发人员：谢建兵 栗子涵 陈俊伍 温俊杰 苑伟政
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/18