一种基于声表面波振荡器的结冰传感器制造技术

一种基于声表面波振荡器的结冰传感器，包括声表面波器件和振荡电路(11)，还包括封装管壳(6)、透水膜(7)；所述声表面波器件外部采用封装管壳(6)封装；所述透水膜(7)设置于封装管壳(6)开口处；所述声表面波振荡器表面覆盖SiO

Ice sensor based on SAW oscillator

【技术实现步骤摘要】
一种基于声表面波振荡器的结冰传感器
本专利技术涉及结冰传感器领域，具体而言涉及一种基于声表面波振荡器的结冰传感器。
技术介绍
结冰现象广泛存在于自然界和人类生产、生活的现实中。过去，对结冰状况的检测很少实施，一方面是因为需求不多，要求不高；另一方面是因为缺乏可行的技术手段。但结冰现象对人类社会造成的负面影响甚至危害越来越多，如道路、飞机安全等方面都存在着结冰检测问题，而对于路面、飞机的结冰监测需要体积小，能灵活测量的传感器。为了监测道路表面、飞机的结冰状况并开发有效的道路结冰安全预警系统，结冰传感器起着至关重要的作用，而且它必须对结冰厚度以及结冰速率非常敏感。目前应用于道路检测的传感技术有红外式传感技术与电容式传感技术。如图1所示，红外式结冰传感器是将红外激光直接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，运算得到不同入射角和观测角下结冰表面的反射系数，根据结冰系数推断物体表面的结冰情况。红外式传感技术基于所有固体的温度在绝对零度以上时都会反射红外能量的原理，没有结冰时，系统感应的空气红外能量和非涂色铝表面反射的能量一样，此区域测得的温度是空气温度；涂色表面在红外区域不反射能量，因此探测到的能量是由涂色表面发射的，测得的温度是表面温度。无冰情况下从两个区域获得的是不同的温度，一般温度相差大于-12℃。有冰时，由于非涂色铝表面也不反射红外信号，此区域获得的温度也反应表面的温度，因此从两个铝表面获得的温度读值应该是相近的，由测量得到结冰时的温度差值较小，接近-15℃，且两者温度都低于0℃。通过比较温度差值，就可以判断被测表面是否有冰结成。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，可以考虑在一些结冰事故高发地段进行安装。但该产品只能用于地面飞机结冰探测，造价高、抗干扰能力较差。如图2所示，电容式结冰传感器是利用电容板之间电介质的变化引起电容变化的方法判断是否结冰。一种是使用普通的极板电容，利用不同频率的方波信号对电容进行充放电来判断电容器所处环境。空气的相对介电常数1.0，水的相对介电常数在0℃时为87.9左右，当温度升高，水的相对介电常数减小而冰或雪在-1～-40℃之间的相对介电常数与80℃的水相近，雪的相对介电常数随雪的密度增大而增大，为判别电容板之间的物质，利用不同频率的方波对电容充放电并检测多频电容上的电压，以此来判断电介质种类。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。声表面波传感器体积小、可无线无源测量，对公路飞机跑道的结冰状况进行灵活监测，因此，研发的结冰传感器可以应用于道路并监测结冰厚度和结冰速率，同时也可以广泛应用于公路、飞机等的结冰监测网的建设中，具有良好的应用前景。声表面波在传播过程中，受到材料的质量密度、绝缘体特性和弹性刚度等性质的影响，它的传播特性会以频移或者相变的形式发生改变。因为声波能量被局限在底层的靠近表面的很薄的区域内，所以当声波传播时声表面波传感器对表面扰动具有很高的灵敏度。江城等利用乐甫波来探测导波层表面冰的厚度及状态变化并开展了相关实验，但其结果只能在冰层达到一定厚度后发出警告，但无法对结冰初期微薄厚度的冰层进行探测，导致此种技术离实用化距离甚远。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有结冰传感器存在的灵敏度低、实时性差及不易实施的问题，为实现上述目的，本专利技术提出了一种基于声表面波的结冰传感器，所述结冰传感器包括：包括声表面波器件和振荡电路(11)，还包括封装管壳(6)、透水膜(7)；所述声表面波器件外部采用封装管壳(6)封装；所述透水膜(7)设置于封装管壳(6)开口处；所述声表面波振荡器表面覆盖SiO2保护薄层(2)；所述声表面波器件输出振荡频率变化的电信号至振荡电路(11)，振荡电路(11)检测电信号振荡频率的突变，输出振荡频率来实现结冰预警和监测。作为所述装置的一种改进，所述封装管壳(6)顶部有封装管帽(5)，并在封装管帽(5)顶部开孔，所述透水膜(7)，覆盖于封装管帽(5)的顶部开孔处。作为所述装置的一种改进，所述透水膜(7)其孔径大小能透过体积较小的水蒸气分子而不能透过氢键形成的缔合水分子，材料为聚氯乙烯。作为所述装置的一种改进，所述声表面波器件包括压电基片(1)和叉指换能器；所述压电基片(1)是绕y方向旋转36°切割且沿x方向传播的，具有高压电系数；所述叉指换能器，设置于所述压电基片(1)上，将声表面波转换成具有单一稳定振荡频率的电信号；当发生结冰时根据波导效应引起声学模式的改变输出振荡频率突变的电信号。作为所述装置的一种改进，所述叉指换能器包括输入换能器(3)和输出换能器(4)；所述输入换能器(3)与输出换能器(4)的中心距离等于所述输入换能器(3)长度；所述输出换能器(4)，将输入的电信号转换为声表面波信号在压电基片(1)表面传播；所述输入换能器(3)，接收转化后的声表面波信号，并将声表面波信号转换为电信号输出至所述振荡电路(11)；作为所述装置的一种改进，所述输入换能器(3)包括若干组梳齿结构单元(312)和接地假指电极(313)，两个梳齿结构单元(312)之间的中心间距等于输出换能器(4)的长度；所述假指电极(313)设置于相邻的两组梳齿结构单元(312)之间，一端接地；能够保持声表面波传播速度的均一性。作为所述装置的一种改进，每个梳齿结构单元(312)包括叉指对(310)和反射电极(311)；所述叉指对(310)包括两个相对的叉指电极，所述反射电极(311)设置于两个叉指对之间；能够实现声表面波振荡器通带内只有一个相位周期，输出单一振频率的电信号。作为所述装置的一种改进，所述SiO2薄层(2)厚度为1-2％λx；所述输入换能器(3)的长度为130λx；所述输出换能器(4)的长度为40λx；梳齿结构单元(312)之间的中心间距等于输出换能器(4)的长度；接地假指电极(313)的长度为1/8λx；所述叉指电极(310)与反射电极(311)的厚度为1％～1.5％λx，叉指电极的宽度为1/8λx；两个叉指电极之间间距为1/8λx；所述反射电极(311)的宽度为1/4λx，所述反射电极(311)与其相应的叉指对(310)的边缘距离为3/16λx；其中，λx为沿声波传播方向的声波波长：λx＝v/f(1)v为声表面波在所述压电基片上的传播速度，f为所述传感器频率。作为所述装置的一种改进，所述振荡电路(11)包括相移器(8)、放大器(9)和频率采集器(10)；所述相移器(8)，用于将电信号进行相位移动；所述放大器(9)，用于将相位移动后的电信号放大，经过一定的时间t延迟后传输给频率采集(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声表面波振荡器的结冰传感器，包括声表面波器件和振荡电路(11)，其特征在于，还包括封装管壳(6)、透水膜(7)；/n所述声表面波器件外部采用封装管壳(6)封装；/n所述透水膜(7)设置于封装管壳(6)开口处；/n所述声表面波振荡器表面覆盖SiO

【技术特征摘要】
1.一种基于声表面波振荡器的结冰传感器，包括声表面波器件和振荡电路(11)，其特征在于，还包括封装管壳(6)、透水膜(7)；
所述声表面波器件外部采用封装管壳(6)封装；
所述透水膜(7)设置于封装管壳(6)开口处；
所述声表面波振荡器表面覆盖SiO2保护薄层(2)；
所述声表面波器件输出振荡频率变化的电信号至振荡电路(11)，振荡电路(11)检测电信号振荡频率的突变，输出振荡频率来实现结冰预警和监测。


2.根据权利要求1所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于，所述封装管壳(6)顶部有封装管帽(5)，并在封装管帽(5)顶部开孔，所述透水膜(7)，覆盖于封装管帽(5)的顶部开孔处。


3.根据权利要求1所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于，所述透水膜(7)其孔径大小能透过体积较小的水蒸气分子而不能透过氢键形成的缔合水分子，材料为聚氯乙烯。


4.根据权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，所述声表面波器件包括压电基片(1)和叉指换能器；
所述压电基片(1)是绕y方向旋转36°切割且沿x方向传播的，具有高压电系数；
所述叉指换能器，设置于所述压电基片(1)上，将声表面波转换成具有单一稳定振荡频率的电信号；当发生结冰时根据波导效应引起声学模式的改变输出振荡频率突变的电信号。


5.根据权利要求1所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于，所述叉指换能器包括输入换能器(3)和输出换能器(4)；所述输入换能器(3)与输出换能器(4)的中心距离等于所述输入换能器(3)长度；
所述输出换能器(4)，将输入的电信号转换为声表面波信号在压电基片(1)表面传播；
所述输入换能器(3)，接收转化后的声表面波信号，并将声表面波信号转换为电信号输出至所述振荡电路(11)。


6.根据权利要求5所述的基于声表面波振荡器的结冰传感器，其特征在于，所述输入换能器(3)包括若干组梳齿结构单元(312)和接地假指电极(313)，两个梳齿结构单元(312)之间的中心间距等于输出换能器(4)的长度；
所述假指电极(313)设置于相邻的两组梳齿结构单元(312)之间，一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文，尹怡宁，贾雅娜，范淑瑶，梁勇，刘梦伟，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11