飞机在高空飞行会发生外表面聚集积冰的现象,对飞行安全造成严重威胁。根据结冰探测系统的报警信号,可以及时打开防除冰系统,保障飞机安全飞行。现有的结冰探测系统普遍存在精度低、外形尺寸大、破坏飞机气动外形等缺点,本文拟发展一种保型的超声回波结冰探测系统,并重点针对超声结冰探测系统的核心部件及超声换能器开展研究,通过对压电层、背衬层、匹配层的仿真设计,得到了探测性能更好的超声换能器,从而提高飞机结冰探测的精度。本文采用超声脉冲回波进行飞机结冰探测,为了提高换能器发射到机翼中的声波能量,因此必须对换能器的各组成部分进行设计。通过建立仿真计算模型获得不同设计参数下最大声压幅值、接收电压、效率和机电耦合系数变化规律,发现压电层材料选择pzt5h、压电层厚度为半波长的1.04倍、压电层直径为12.1倍的压电层厚度时压电层的发射和接收性能较好。当背衬层的声阻抗为6.8MRayl、背衬层厚度为1.7mm能有效提高纵向分辨率。匹配层仿真设计阻抗接近传统理论计算模型获得阻抗值,仿真计算结果表明匹配层厚度为声波波长的19.3%时,声波能力透射率最高。为了减小超声换能器的体积,进一步对1-3型压电复合超声传感器进行仿真设计,计算结果表明随着压电相体积分数的增大,压电复合层的声阻抗增大,机电耦合系数先增大后降低。拟合压电复合层声阻抗与体积分数关系,达到根据实际被测物声阻抗来选择特定的体积分数目的。当改变宽厚比时（改变压电复合层厚度）,随着宽厚比的增大,发射电压响应先在增大后减小、效率先增大后降低、机电耦合系数基本不变。当改变宽厚比中的压电相宽度时,随着宽厚比的增大,效率先增大后降低、机电耦合系数降低。最后对设计的超声传感器进行制备和测试,针对不同工作频率采用不同压电材料制备不同晶元直径的超声换能器。通过地面探测实验台测量低温环境粘贴在铝板表面超声传感器脉冲回波信号。实验结果表明冰层厚度测量误差在10%左右,回波信号清晰,测试结果与理论设计结果匹配度高。最后通过地面冰风洞实验验证最佳传感器设计方案,将多个工作频率为15MHz的传感器粘接在机翼模型内表面进行结冰风洞试验,试验结果表明在不同结冰气象参数下超声传感器均可实现结冰预警及冰层厚度实时在线测量。