一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法

技术领域

本发明涉及结冰探测技术领域，更具体的说是涉及一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法。

背景技术

在高纬、高海拔区域以及低温环境中，水易粘附在部件表面，并相变冻结结冰，附着在材料表面不易清除。冰粘附作为一种常见现象，但却给风机、电力输送、交通运输等工程领域，影响设备部件的正常运行，甚至引起安全事故以及人员伤亡。为减小冰粘附对工程领域的危害，工程领域已开发了多种防除冰技术，但通常是以高成本、高能耗、污染环境为代价。

了解水在冻结过程中特征参数的变化可有助于开发、优化现有防除冰技术，但是，已有结冰特征参数采集分析装置仅能采集水冻结过程中单一的特征参数，未能对冻结过程中水/冰形态特征、内部温度及其分布区域、水/冰粘附界面应力以及材料表面的粘附强度进行同步综合采集、对比分析，仅能从冻结过程中的单一特性分析水的冻结过程。

因此，如何提供一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法，同时对材料表面附着水在冻结过程中形态特征、温度特征、粘附强度特征以及界面应力特征进行同步原位采集和分析，充分了解水在材料表面的粘附过程形成机理，有助于开发、优化防除冰技术，降低清除材料表面覆冰时产生的高耗能、高成本以及污染环境的弊端。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种原位多功能结冰物理特性观测系统，用于观测试样材料表面水滴结冰过程，包括：冻结模块、冻结过程观测模块、温度特征采集模块、结冰界面应力测量采集模块和结冰粘附强度测量模块；

所述冻结模块包括半导体制冷片，所述试样材料置于所述半导体制冷片上，所述冻结模块用于通过所述半导体制冷片对所述试样材料的表面水滴进行冷却冻结；

所述冻结过程观测模块，用于观察采集所述水滴的冻结过程中的图像获得形态变化特征参数，并获取冻结后冰的粘附面积；

温度特征采集模块，用于采集所述水滴冻结过程中的内部温度变化特征参数及温度区域分布图；

所述结冰界面应力测量采集模块包括应变片，所述应变片置于所述试样材料与所述半导体制冷片之间，所述结冰界面应力测量采集模块用于采集所述水滴在冻结过程中的结冰界面应变特征参数；

所述结冰粘附强度测量模块包括可移动推拉力计，所述结冰粘附强度测量模块用于通过所述可移动推拉力计清除试样材料表面覆冰测量所述水滴冻结后的切向粘附力。

优选的，所述的一种原位多功能结冰物理特性观测系统，还包括计算分析模块，所述冻结过程观测模块、所述温度特征采集模块、所述结冰界面应力测量采集模块和所述结冰粘附强度测量模块均与所述计算分析模块连接；

所述计算分析模块，用于获取并存储所述形态变化特征参数、所述粘附面积、所述内部温度变化特征参数及温度区域分布图、所述结冰界面应变特征参数和所述切向粘附力，并根据所述结冰界面应变特征参数计算冻结过程中的界面应力，以及根据所述粘附面积和所述切向粘附力计算切向粘附强度。

优选的，所述冻结模块还包括冷却浴、冷却扇、冷却头和可调直流电源；

所述冷却浴、所述冷却扇与所述冷却头依次连接，所述冷却头和所述可调直流电源均与所述半导体制冷片连接；

所述冷却浴和所述冷却扇进行冷循环对所述半导体制冷片进行制冷，所述可调直流电源用于通过调节电源的电流和电压改变半导体制冷片的功率。

优选的，所述冻结过程观测模块包括CCD和物镜，所述CCD与所述物镜连接，所述物镜分别置于正对所述试样材料的竖直方向和水平方向。

优选的，所述温度特征采集模块包括多通道温度记录仪、温度传感器和红外摄像头，所述多通道温度记录仪与所述温度传感器连接，用于采集所述水滴冻结过程中的内部温度变化特征参数，所述红外摄像头设于所述试样材料一侧，用于采集所述水滴冻结过程中的温度区域分布图。

优选的，所述结冰界面应力测量采集模块还包括多通道应变采集仪，所述多通道应变采集仪与所述应变片连接。

优选的，所述结冰粘附强度测量模块还包括移动支架，所述推拉力计设于所述移动支架上，所述推拉力计通过所述移动支架沿试样材料水平方向移动。

优选的，所述的一种原位多功能结冰物理特性观测系统，还包括载物台、玻璃箱和加湿器，所述半导体制冷片固定于所述载物台上表面，所述玻璃箱设于所述载物台上方，所述玻璃箱与所述加湿器连接，用于调节观测环境的湿度。

一种原位多功能结冰物理特性观测方法，包括以下步骤：

S1.将一侧粘有应变片的试样材料置于半导体制冷片上，所述试样材料的表面滴定水滴；

S2.通过所述半导体制冷片对所述试样材料的表面水滴进行冷却冻结；

S3.观察采集所述水滴的冻结过程中的图像获得形态变化特征参数，同时采集所述水滴冻结过程中的内部温度变化特征参数及温度区域分布图，以及采集所述水滴在冻结过程中的结冰界面应变特征参数；

S4.冻结成冰后，根据所述形态变化特征参数获取所述水滴冻结成冰的粘附面积，并测量所述水滴冻结后的切向粘附力。

优选的，所述的一种原位多功能结冰物理特性观测方法，还包括：S5.获取并存储所述形态变化特征参数、所述粘附面积、所述内部温度变化特征参数及温度区域分布图、所述结冰界面应变特征参数和所述切向粘附力，并根据所述结冰界面应变特征参数计算冻结过程中的界面应力，以及根据所述粘附面积和所述切向粘附力计算切向粘附强度。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法，具有以下特点：

(1)本发明可同步观测采集水冻结过程中的形态特征参数、内部温度特征参数、粘附界面应力特征以及切向结冰粘附强度特征参数，并可同步获得界面微观应变应力特征，保证了试验条件的统一性和试验结果的准确性；

(2)本发明在测试结冰粘附强度时，采用清除表面覆冰的推力作为冰的切向粘附力，利用装置中的CCD获取冻结过程中冰的粘附面积，可精准获得冰的切向粘附强度，减小试验误差；

(3)本发明可充分了解水在材料表面结冰过程中的冻结特征参数，有助于分析多种材料和涂层表面对冻结过程的影响，并可进行简易、有效的评价，为工程领域开发、优化防除冰技术奠定理论支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种原位多功能结冰物理特性观测系统结构示意图；

图2附图为本发明提供的具有环境湿度调整功能的一种原位多功能结冰物理特性观测系统的示意图；

其中，1-计算分析模块，2-冷却浴，3-冷却扇，4-移动支架，5-推拉力计，6-红外摄像头，7-可调直流电源，8-CCD，9-应变采集仪，10-多通道温度记录仪，11-温度传感器，12-冷却头，13-竖直可调固定支架，14-一侧粘贴应变片的试样材料，15-水/冰，16-应变片，17-半导体制冷片，18-载物台，19-物镜，20-水平可调固定支架，21-试样材料，22-可调加湿器，23-玻璃箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种原位多功能结冰物理特性观测系统，用于观测试样材料14表面水滴15结冰过程，包括：冻结模块、冻结过程观测模块、温度特征采集模块、结冰界面应力测量采集模块和结冰粘附强度测量模块；

冻结模块包括半导体制冷片17，试样材料14置于半导体制冷片17上，冻结模块用于通过半导体制冷片17对试样材料14的表面水滴15进行冷却冻结；

冻结过程观测模块，用于观察采集水滴15的冻结过程中的图像获得水/冰的外围轮廓特征参数即形态变化特征参数，并获取冻结后冰的粘附面积；

温度特征采集模块，用于采集水滴15冻结过程中的内部温度变化特征参数及温度区域分布图；

结冰界面应力测量采集模块包括应变片16，应变片16设于试样材料14与半导体制冷片17之间，结冰界面应力测量采集模块用于采集水滴15在冻结过程中的结冰界面应变特征参数；

结冰粘附强度测量模块包括可移动推拉力计5，结冰粘附强度测量模块用于通过可移动推拉力计5清除试样材料21表面覆冰测量水滴15冻结后的切向粘附力。

在实际应用中，试样材料14厚度不超过1mm。

在本实施例中，应变片16粘贴在试样材料14下方，并且应变片16与半导体制冷片17之间涂覆导热硅胶。

为了进一步实施上述技术方案，一种原位多功能结冰物理特性观测系统，还包括计算分析模块1，冻结过程观测模块、温度特征采集模块、结冰界面应力测量采集模块和结冰粘附强度测量模块均与计算分析模块1连接；

计算分析模块1，用于获取并存储形态变化特征参数、粘附面积、内部温度变化特征参数及温度区域分布图、结冰界面应变特征参数和切向粘附力，并根据结冰界面应变特征参数计算冻结过程中的界面应力，以及根据粘附面积和切向粘附力计算切向粘附强度。

为了进一步实施上述技术方案，冻结模块还包括冷却浴2、冷却扇3、冷却头12和可调直流电源7；

冷却浴2、冷却扇3与冷却头12依次连接，冷却头12和可调直流电源7均与半导体制冷片17连接；

冷却浴2和冷却扇3进行冷循环对半导体制冷片17进行制冷，可调直流电源7用于通过调节电源的电流和电压改变半导体制冷片17的功率。

为了进一步实施上述技术方案，冻结过程观测模块包括CCD8和物镜19，CCD8与物镜19连接，物镜19分别设于正对试样材料14的竖直方向和水平方向。

为了进一步实施上述技术方案，温度特征采集模块包括多通道温度记录仪10、温度传感器11和红外摄像头6，多通道温度记录仪10与温度传感器11连接，用于采集水滴15冻结过程中的内部温度变化特征参数，红外摄像头6设于试样材料14一侧，用于采集水滴冻结过程中的温度区域分布图。

为了进一步实施上述技术方案，结冰界面应力测量采集模块还包括多通道应变采集仪9，多通道应变采集仪9与应变片16连接。

为了进一步实施上述技术方案，结冰粘附强度测量模块还包括移动支架4，推拉力计5设于移动支架4上，推拉力计通过移动支架沿试样材料水平方向移动。

在本实施例中，试样材料包括中心试样材料14和边缘试样材料21，分别设于半导体制冷片17的中心和边缘区域，中心试样材料14和边缘试样材料21为相同试样材料，表面滴定的定量水滴的体积相同；

应变片16设于中心试样材料与半导体制冷片17之间，物镜19分别正对中心试样材料14水平方向和竖直方向，红外摄像头6设于中心试样材料14一侧；

可移动推拉力计5与边缘试样材料21平行，推拉力计通过移动支架水平方向移动，推拉力计5前端设置小型刮刀，用于清除边缘试样材料21表面覆冰，进而获得推拉力为测得水滴在边缘试样材料21表面的切向粘附力。

为了进一步实施上述技术方案，一种原位多功能结冰物理特性观测系统，还包括载物台18、玻璃箱23和可调加湿器22，半导体制冷片17固定于载物台18上表面，玻璃箱23设于载物台18上方，玻璃箱23与可调加湿器22连接，用于调节观测环境的湿度。

在本实施例中，冻结过程观测模块还包括水平可调固定支架20和竖直可调固定支架13，物镜19分别固定于水平可调固定支架20和竖直可调固定支架13上，通过水平可调固定支架20和竖直可调固定支架13可对试样表面水滴进行水平、竖直方向微调，载物台18可进行水平方向移动对观测物进行微调，实现从水平、竖直两方向进行聚焦。

一种原位多功能结冰物理特性观测方法，包括以下步骤：

S1.将一侧粘有应变片16的试样材料置于半导体制冷片17上，试样材料的表面滴定水滴；

S2.通过半导体制冷片17对试样材料的表面水滴进行冷却冻结；

S3.观察采集水滴的冻结过程中的图像获得形态变化特征参数，同时采集水滴冻结过程中的内部温度变化特征参数及温度区域分布图，以及采集水滴在冻结过程中的结冰界面应变特征参数；

S4.冻结成冰后，根据所述形态变化特征参数获取水滴冻结成冰的粘附面积，并测量水滴冻结后的切向粘附力。

为了进一步实施上述技术方案，一种原位多功能结冰物理特性观测方法，还包括：S5.获取并存储形态变化特征参数、粘附面积、内部温度变化特征参数及温度区域分布图、结冰界面应变特征参数和切向粘附力，并根据结冰界面应变特征参数计算冻结过程中的界面应力，以及根据粘附面积和切向粘附力计算切向粘附强度。

在本实施例中，水滴在冻结过程中的界面应力为：

σ＝E·ε

其中，σ为结冰界面应力，E为冰的弹性模量，ε为测得的界面应变；

定量水滴在试样表面的切向粘附强度为：

其中，F为推拉力计5在移动过程测得的最大推力即切向粘附力，S为冰的粘附面积，p为切向结冰粘附强度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。