Ultrasonic sensor for ice detection

Ice formation on infrastructure and aircraft represents a significant risk across many sectors, from aviation to road and rail transport, from wind energy generation to power transmission lines. This thesis contributes to the development of a multi-sensor device for the real-time detection of ice formation, with a focus on the ultrasonic sensor, which is capable of measuring ice thickness and distinguishing between different ice types. Following an analysis of the state of the art of existing detection systems and the underlying physical principles that enable their operation, a first technical solution is presented that allowed the core concept of the ultrasonic sensor to be validated and its limitations and potential improvements to be identified. This is followed by a description of the circuit-level work developed during this thesis, which led to the realization of a new electronic board capable of addressing the shortcomings identified in the previous version, reducing its complexity and manufacturing cost, and bringing the system close to being a fully autonomous and self-contained measurement platform. The thesis concludes with a description of the main algorithms for signal generation, reception, processing, and parameter estimation, implemented on the embedded microcontroller and on a PC using the LabVIEW software environment. The system was experimentally validated by reproducing rime ice and clear ice under controlled laboratory conditions, revealing two distinct and complementary acoustic signatures: clear ice introduces a progressive temporal shift of the echo peak proportional to the accumulated thickness, while rime ice produces an amplitude reduction that rapidly stabilizes at a characteristic saturation value. These results demonstrate the ability of the ultrasonic sensor not only to detect the presence of ice, but also to classify its type, representing an important step toward a complete and reliable ice detection system.

La formazione di ghiaccio su infrastrutture e velivoli rappresenta un rischio significativo in molti settori, dall'aviazione al trasporto stradale e ferroviario, dalla generazione eolica fino alle linee elettriche. Questa tesi si inserisce nello sviluppo di un dispositivo multi-sensore per il rilevamento in tempo reale della formazione del ghiaccio, concentrandosi sul sensore a ultrasuoni, in grado di misurarne lo spessore e distinguerne la tipologia. Dopo un'analisi dello stato dell'arte dei sistemi di rilevamento esistenti e dei relativi aspetti fisici di base che ne permettono il funzionamento, viene presentata una prima soluzione tecnica che ha permesso di validare l’idea alla base del sensore a ultrasuoni e di identificarne le criticità e i possibili miglioramenti. Segue la presentazione del lavoro circuitale sviluppato durante la presente tesi, che ha portato a realizzare una nuova scheda elettronica in grado di risolvere le criticità individuate sulla precedente versione, di ridurne la complessità e il costo realizzativo, nonché di integrarla di più funzionalità e di renderla vicina all’essere un sistema di misura autonomo e completo. Lo sviluppo ha richiesto: l'ottimizzazione del circuito di estrazione dell'inviluppo del segnale, l’aggiornamento del sistema di alimentazione, la modifica del circuito di pilotaggio e di rilevazione del sensore piezoelettrico, il miglioramento del front-end analogico gestendo il segnale in single-ended e inserendo filtri passivi LC al posto dei precedenti in tecnica RC. La tesi si completa con la descrizione dei principali algoritmi di generazione, ricezione, elaborazione e stima dei segnali; questi algoritmi sono stati implementati sul uP inserito nella scheda elettronica sviluppata, e, per la parte di presentazione all’utente, su un PC utilizzando il tool software LabView. Il sistema è stato validato sperimentalmente riproducendo in laboratorio ghiaccio brinoso e ghiaccio trasparente, evidenziando due firme acustiche distinte e complementari: il ghiaccio trasparente introduce uno spostamento progressivo del picco di eco proporzionale allo spessore, mentre il ghiaccio brinoso produce una riduzione di ampiezza che si stabilizza rapidamente su un valore di saturazione. Questi risultati dimostrano la capacità del sensore ultrasonico non solo di rilevare la presenza di ghiaccio, ma anche di classificarne il tipo, costituendo un passo importante verso un sistema di rilevamento completo e affidabile.