基于紅外光譜吸收的結冰速率傳感器設計*

趙 勇，張 波

(1北京理工大學宇航學院，北京 100081;2中航機電系統有限公司，北京 100028;3武漢航空儀表有限責任公司，武漢 430074)

0 引言

飛機結冰是影響飛機安全飛行的重要因素之一。嚴重結冰會破壞機翼等表面的氣動力學，導致飛行效率或飛行能力的降低，使得消耗更多的發動機動力。結冰還會導致控制面板、制動器和起落架等的故障。清潔的冰能夠以超過12.7mm/min的速度凝結，飛機結冰后會導致飛機抬升力降低，拖曳力升高，飛機操穩特性下降。嚴重結冰時，飛行員往往有較少的反應時間，飛機就失去控制。為了探測飛機的結冰，一般在飛機上安裝有結冰探測器，目前已有的結冰探測系統包括基于測諧振頻率變化、電容量變化、熱容量變化、導電率變化和超聲波測厚等等各種，它們各有優缺點。文中設計了一種基于紅外光譜吸收的結冰速率傳感器，其顯著優點是精度較高，并且可以在直升機懸停狀態下測試飛機表面的結冰速率[1]。

1 紅外光譜吸收測厚原理

當物質分子被光照射時，將吸收能量引起能級躍遷。如果用紅外線(1～0.025eV)照射分子，此能量不足以引起電子能級的躍遷，而只能引發振動能級和轉動能級的躍遷，得到的光譜則為紅外光譜。紅外吸收光譜又稱紅外分光光度法。它是利用物質對紅外電磁輻射的選擇性吸收特性來進行定性、定量和結構分析的一種分析方法。具體的紅外光譜吸收測厚如下:一束光照射到透明或半透明的被測物體(如圖1)，入射光強度和透射光強度之間的關系滿足朗伯—比爾定律[2]:

圖1 紅外測厚原理

式中:I0(λ)為入射光強度;I(λ)為透過被測物體的透射光強度;α(λ)為被測物體的紅外光吸收系數;D為被測物體的厚度。

對于某種特定成分的被測物體，α(λ)是常數，可精確測定，因此原則上只要固定I0(λ)，測定I(λ)，即使用單一波長可以測出D。但由于存在著紅外光源老化、光電探測器及電子系統漂移等不穩定因素的影響，精確穩定的測量系統難以實現。因而實際中采用了能減少上述不良影響的雙波長交替吸收測量方式，即選擇吸收系數大的紅外波長為測量波長 λM，吸收系數小的波長為參考波長λR，當以這兩種光交替透過厚度為D的被測物體時，其透射光強分別為[3]:

將式(2)除以式(3)，然后取對數，并令 α=α(λM)－ α(λR)，則有:

等式右邊第一項是由光源與接收器等特性決定的常數，不受被測物體影響，并可通過電器調整使其為零，因此，只要檢出I(λM)、I(λR)后，再經對數電路演算處理，就能求出厚度D。

2 紅外光譜吸收的結冰速率傳感器方案設計

為了得到冰的測量波長λM和參考波長λR，對冰進行紅外光譜掃描試驗。圖2是4塊不同冰樣品試驗測定的近中紅外光譜，圖3是2塊不同冰樣品試驗測定的近紅外光譜。

從圖2、圖3可初步確定7350cm－1為冰的弱吸收峰，對應波長為1360.54nm;6800cm－1為冰的強吸收峰，對應波長為1470.59nm。試驗結果可作為紅外結冰速率傳感光源、光電探測器及光傳輸方式選型的依據。若采用強弱吸收對比分析法，則紅外光源輸出光譜應至少包括1361和1471nm兩波長。

圖2 不同冰塊的近中紅外光譜

圖3 不同冰塊的近紅外光譜

紅外光譜吸收結冰速率傳感器的具體實現方案如圖4所示。光源1、2分別由光源驅動電路1、2控制，通過控制電路發出的電脈沖控制光源驅動電路1、2交替通斷。兩只光源發出交替出現的光強脈沖分別通過1550nm的光纖A、B進入1×2的光纖耦合器，然后進入同一個光源探頭交替照射到被測冰面上，透過冰面的透射光強被光電探測器感知并轉換為相應的電信號。交替出現的兩路電信號分別被前置放大電路放大，然后濾波，濾波后的電信號分別通過信號檢測電路的AD變換器轉換為數字信號。兩路數字信號在信號檢測電路中按照式(2)～式(5)運算，得到厚度對應的數字電壓信號。數字信號經信號檢測電路的DA變換器轉換為模擬信號，表征冰厚的模擬電信號經信號檢測電路的通訊接口電路送上級系統或顯示裝置。

圖4 紅外結冰速率傳感器原理框圖

3 關鍵技術及其解決措施

3.1 光源調制技術

基于紅外光譜吸收的結冰速率傳感器對光源的光強和光譜穩定性要求很高，除了光源自身性質外，光源所處工作環境溫度和光源驅動電流對光源的光強和光譜穩定性影響最大，因此控制光源的光強和光譜穩定性是紅外結冰速率傳感器的一項關鍵技術，本方案擬設計高精度的恒流源驅動電路和溫控電路來保證獲得高性能的光源。

本方案恒流源采用ACC工作方式，整體設計方案采用深度負反饋控制原理。恒流源電路原理如圖5所示，由電壓基準電路、電壓電流轉換電路、保護電路組成。采用2.5V的電壓基準，產生的基準電壓經過放大后送入運放的同相端，該運放控制跨導放大器的導通程度，從而獲得相應的輸出電流并在取樣電阻上產生取樣電壓，該取樣電壓經放大后作為反饋電壓反饋回電壓放大器的反相輸入端，并與同相輸入端的電壓(即由電壓基準產生并經前級放大的電壓)進行比較，對輸出電壓進行調整，進而對輸出電流進行調整，使整個閉環反饋系統處于動態平衡中，以達到穩定輸出電流的目的[4]。

圖5 反饋型恒流源電路圖

3.2 紅外光電信號檢測技術

紅外探測器接收紅外光產生的電信號十分微弱，極易受干擾，因此穩定可靠的前置放大電路也是紅外結冰速率傳感器的關鍵技術之一。本方案采用以AD8304為核心的高精密、低漂移的模擬放大電路，并采用窄帶濾波電路來提高系統的信號檢測性能。

由于光強信號的動態范圍較大，從微瓦到瓦量級變化，采用普通的線性放大器難以滿足要求。本方案采用光功率測量專用芯片，即AD公司的對數放大器AD8304，該芯片直接將電流信號轉換為電壓信號，并將光功率的大動態范圍壓縮到一個很小的范圍，可以有效的解決信號的大動態范圍的問題。此外該芯片還集成了二級放大功能，可以簡化電路，以提高系統的可靠性[5]。

4 紅外結冰速率傳感器的系統建模

如2節所述被測冰厚與透射光強的關系為式(5)。

AD8304輸入光強與輸出電壓的關系為:

式中:VLOG為對數放大器的輸出電壓，VY為0.2V，IPD為輸入光強，IZ為100pA。

因此:

所以:

將式(9)和式(10)代入到式(5)中得到:

式中，VLOGR為對數放大器輸出的參考光強對應的電壓;VLOGM為對數放大器輸出的測量光強對應的電壓;VY=0.2V;e為自然對數。所以:

令式(12)中 VL為冰厚的標度因子，單位為 mm/V，因此冰厚與對數放大器一個周期內輸出的電壓差成線性關系，并且可以根據紅外結冰速率傳感器靈敏度和測量閾值的需要，靈活的選取測量波長和參考波長，以改變k值。

5 結束語

文中設計的雙光源方案較傳統的旋轉濾波鏡斬波方案，具有體積小，質量輕，易于擴展傳感路數，全固態，成本較低等顯著的優點。本方案還可用于紅外光譜吸收的氣體檢測及薄膜測厚等應用中，具有較為廣泛的實用和經濟價值。但是該方案的缺點是光路較為復雜，光源驅動電路的性能要求較高，文中對這兩個問題均進行了詳細的論述，并給出了解決方案。

[1]J. F. Marchman. A cheap，effective lcing detector for general aviation aircraft[J]. AIAA Aircraft Syatems and Technology Meeting，1979(8):23 －31.

[2]熊友輝，蔣泰毅.電調制非分光紅外(NDIR)氣體傳感器[J].儀表技術與傳感器，2003(11):22 －26.

[3]甘宏，潘丹，張洪春.便攜式非分光紅外吸收型二氧化碳傳感器[J].桂林電子科技大學學報，2007，27(1):19－22.

[4]王忠林，閻明媚.半導體激光器恒流驅動電路的研制[J].濱州學院學報，2007，23(3):30 －32.

[5]Analog Devices.160dB Range(100pA – 10mA)Logarithmic Converter[OL]. www.analog.com.