CN105865100B - 一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统 - Google Patents

Abstract

一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，它包括保温箱体、小型制冷子系统、液滴发生子系统、样件弹射子系统、温度传感器、高速相机图像采集子系统；该保温箱体为系统提供封闭环境；该小型制冷子系统的蒸发器安装于保温箱体内壁，其余部件安装于保温箱体外，用铜管连接形成制冷剂回路；该液滴发生子系统主体位于保温箱体外，导管和针头伸入箱体内，能滴落连续的液滴；该样件弹射子系统安装于保温箱体中部；该温度传感器安装于保温箱体内；本发明更好的模拟飞行器在空中结冰时的实际情况，实现对过冷液滴撞击待测样件表面时结冰过程的微观观测，为涂层防冰性能的表征提供了良好的依据。

Description

一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统

技术领域

本发明提供一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，它涉及过冷液滴撞击具有一定速度的样件特定功能表面时形态变化及结冰状况的微观动态观测技术。采用一种新型的过冷液滴制备、样件弹射运动以及高速动态观测方案，搭建此观测系统，相对真实的模拟了飞行器的实际运动情况，便于揭示液滴在功能表面结冰的机理，表征该功能表面的防冰性能，属于仪器仪表技术领域中的分析与测量控制技术领域。

背景技术

随着许多新型飞行器的出现，如大型无人机、远程轰炸机等，飞机蒙皮性能要求提高，传统能耗式防除冰已很难满足飞行器的高性能要求。涂层防冰相比传统技术具有制造成本低、防除冰耗能小、易于实现且不需要附加额外系统等优点，防冰涂层技术发展已受到国内外关注。但涂层防冰的技术尚不成熟，需要大量的实验去检验其性能以及防冰效果，相应的实验设备也非常关键。

目前涂层防冰性能的表征方法还相对局限于静态的水滴结冰实验，或者大型的冰风洞实验。由于飞机穿过易结冰的云层时，速度非常快，因而涂层静态的水滴结冰实验就具有很大的局限性，并不能模拟出涂层在高速下的结冰情况；而大型的冰风洞每次实验费用特别高，而且涂层结冰的研究并不等同于飞机附近流场研究，研究飞机气动性能采用风洞的方式能较好的表征飞机的受力等参数，而结冰实验如果采用具有一定速度的液滴，其液滴本身的运动可能会对其结冰方式产生影响。因而急需一种更能模拟实际情况的实验系统，来分析过冷液滴在表面上的结冰机理。

本发明以此为背景，设计出一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，旨在更好的模拟飞行器在空中结冰时的实际情况，实现对过冷液滴撞击待测样件表面时结冰过程的微观观测，为涂层防冰性能的表征提供了良好的依据。

发明内容：

目的：本发明的主要目的是提供一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，通过对液滴直径，实验温度，样件弹射速度的控制，实现不同条件下待测表面撞击过冷液滴时结冰的微观观测，以表征其防冰性能，进而揭示其防冰机理。

技术方案：为了达到实验的目的，本发明所运用的技术手段是首先搭建了一个保温箱体，并采用制冷措施得到低温可控的冷环境，控制好液滴在滴管里的时间，得到合适温度的过冷液滴，通过弹射器将样件弹出，并用高速相机记录下液滴打在样件上的瞬间，分析其结冰情况。

本发明的一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，包括保温箱体、小型制冷子系统、液滴发生子系统、样件弹射子系统、温度传感器、高速相机图像采集子系统等。它们之间的相互关系是：保温箱体为系统提供封闭环境；小型制冷子系统的蒸发器安装于保温箱体内壁，其余部件安装于保温箱体外，用铜管连接形成制冷剂回路；液滴发生子系统主体位于保温箱体外，导管和针头伸入箱体内，能滴落连续的液滴；样件弹射子系统安装于保温箱体中部；温度传感器安装于保温箱体内多处，包括保温箱体空间，样品台正面；高速相机图像采集子系统安装于保温箱体外。

所述的保温箱体为长方体，为自行加工设计，包括透明箱体门、保温壁面、电阻丝和合页。它们的具体要求及相互关系是：该透明箱体门位于保温箱体正面，用透明有机玻璃板制作，与侧壁用合页连接，透明玻璃板便于观察，同时易于打开，便于弹射后样件归位、换取样件等操作；该电阻丝位于透明箱体门内壁，用来加热以防止透明箱体门结霜起雾影响观察。该保温壁面采用双层聚氨酯(PU)材料，中间加隔热层；该合页采用现有产品，用于连接透明箱体门与保温壁面。

所述的小型制冷子系统，采用现有产品，包括微型直流压缩机冷凝机组、蒸发器和控制器，为保温箱体形成的封闭环境制冷。它们的具体要求及相互关系是：该微型直流压缩机冷凝机组制冷量550瓦，安装于保温箱体外；该蒸发器散热量600瓦，配备一只风扇进行风冷，该蒸发器安装在保温箱体内壁，通过铜管与微型直流压缩机冷凝机组连接形成制冷剂回路。该控制器配备液晶显示屏，温度控制范围为0～-20摄氏度，可适应不同实验条件的需要，对外部环境条件要求不高。

所述的液滴发生子系统，包括注射泵、注射器、注射针头和导管。它们的具体要求及相互关系是：该注射泵采用现有产品，能连续提供液滴，注射速度为0.1毫升每小时～1800毫升每小时可调；该注射器采用现有产品，为医用50毫升注射器；该注射针头为自行设计，可以采用不同的口径，得到体积5～20微升可调液滴，并通过控制该注射泵注射速度来改变液滴间隔，调整适合的水滴滴落间隔以及样件台的长度，可以保证在样件运动过程中恰好有水滴打在试验板上；该导管采用现有产品，为橡胶软管。

所述的样件弹射子系统，包括YA型弹簧、控制器、电磁阀、滑轨、活塞、连杆、样件台、复位拉绳、控制器、活塞缸、减速弹簧、橡胶垫、支架、挡板、底座，它们的具体要求及相互关系是：该YA型弹簧采用现有产品，为该系统提供足够的弹性势能，且该弹簧响应速度较快，选用直径较大的弹簧，便于压缩过程中的稳定，该弹簧安装于活塞缸内部，一端安装在挡板上；该控制器采用现有产品，安装于保温箱体外，可以作为电磁阀的控制开关；该电磁阀采用现有产品，安装于滑轨上，作为弹射器的开关，启动控制器电磁阀供电，铁芯瞬间收回，依靠弹簧弹力把活塞连同样件台一起弹射出去；该滑轨为自行设计，滑轨总长度可以控制，固定在底座上；该活塞以及连杆采用质量轻的塑料材料制成，采用现有产品，安装于活塞缸内部，活塞在活塞缸里运动，采用低温润滑油润滑，以降低其运动阻力；该样件台为自行设计，与活塞通过连杆固连，样件在样件台上采用压板固定，最大样件可达到100mm×100mm，样件台可以选用不同的形状结构，以便于安装不同形状的样件，如翼型，曲面等；该复位拉绳采用现有产品，连接在活塞上，材质为尼龙，样件弹出后，可用电机或者人力拉动该复位拉绳，使弹射器回到弹射初始状态；该电磁阀可以水平移动，通过旋钮固定在不同的位置，在拉动复位拉绳使装置回归初始状态时可以得到不同的弹性势能，从而可以得到不同的实验速度，最大的实验速度能达到20m/s；该活塞缸为自行设计，安装在支架上，开有许多小孔，在样件加速过程中，气体可以从所有的孔中排出，当样件达到最高速度后，随着活塞遮盖的气孔增多，能排气的气孔越来越少，直至没有气孔，形成一个气垫，起到缓冲的作用；该减速弹簧以及橡胶垫，均采用现有产品，可以有效的对活塞的运动进行减速，起到缓冲的作用；该支架与挡板为自行设计，均为长方体结构，固定在底座上，起到支撑和连接的作用；该底座为自行设计，为长方体结构，固定在保温箱体的底面上。

所述的温度传感器：本发明配备了多个温度传感器，采用现有的T型热电偶，测温范围为零下200至零上350摄氏度，热响应时间3秒能够实时监测实验箱、待测表面等的温度。

所述的高速相机图像采集子系统，采用现有产品，包括Olympus高速相机和冷光源。它们的具体要求及相互关系是：该Olympus高速相机每秒传输帧数最高可达2000帧，用以观察液滴撞击样件表面上的瞬间，液滴形态变化和结冰状况。该冷光源亮度可调，为样件表面提供光照。

优点：本发明一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，更好的模拟飞行器在空中结冰时的实际情况，实现对过冷液滴撞击待测样件表面时结冰过程的微观观测，为涂层防冰性能的表征提供了良好的依据。

下面结合附图和实验图，对本发明作详细说明。

附图说明

图1：系统整体布局图。

图2：保温箱体结构图。

图3：制冷子系统结构图。

图4：液滴发生子系统结构图。

图5-1：样件弹射子系统结构图。

图5-2：初始位置时弹射系统示意图。

图5-3：实验位置时弹射系统示意图。

图5-4：活塞缸体结构示意图。

具体实施方式：

本发明的一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，结构见图1，包括保温箱体、小型制冷子系统、液滴发生子系统、样件弹射子系统、温度传感器、高速相机图像采集子系统等。它们之间的相互关系是：保温箱体为系统提供封闭环境；小型制冷子系统的蒸发器安装于保温箱体内壁，其余部件安装于保温箱体外，用铜管连接形成制冷剂回路；液滴发生子系统主体位于保温箱体外，导管和针头伸入箱体内，能滴落连续的液滴；样件弹射子系统安装于保温箱体中部；温度传感器安装于保温箱体内多处，包括保温箱体空间，样品台正面；高速相机图像采集子系统安装于保温箱体外。

所述的保温箱体为长方体，为自行加工设计，结构见图2，包括透明箱体门、保温壁面、电阻丝和合页。它们的具体要求及相互关系是：该透明箱体门位于保温箱体正面，用透明有机玻璃板制作，与侧壁用合页连接，透明玻璃板便于观察，同时易于打开，便于弹射后样件归位、换取样件等操作；该电阻丝位于透明箱体门内壁，用来加热以防止透明箱体门结霜起雾影响观察。该保温壁面采用双层聚氨酯(PU)材料，中间加隔热层；该合页采用现有产品，用于连接透明箱体门与保温壁面。

所述的小型制冷子系统，采用现有产品，结构见图3，包括微型直流压缩机冷凝机组、蒸发器和控制器，为保温箱体形成的封闭环境制冷。它们的具体要求及相互关系是：该微型直流压缩机冷凝机组制冷量550瓦，安装于保温箱体外；该蒸发器散热量600瓦，配备一只风扇进行风冷，该蒸发器安装在保温箱体内壁，通过铜管与微型直流压缩机冷凝机组连接形成制冷剂回路。该控制器配备液晶显示屏，温度控制范围为0～-20摄氏度，可适应不同实验条件的需要，对外部环境条件要求不高。

所述的液滴发生子系统，结构见图4，包括注射泵、注射器、注射针头和导管。它们的具体要求及相互关系是：该注射泵采用现有产品，能连续提供液滴，注射速度为0.1毫升每小时～1800毫升每小时可调；该注射器采用现有产品，为医用50毫升注射器；该注射针头为自行设计，可以采用不同的口径，得到体积5～20微升可调液滴，并通过控制该注射泵注射速度来改变液滴间隔，调整适合的水滴滴落间隔以及样件台的长度，可以保证在样件运动过程中恰好有水滴打在试验板上；该导管采用先用产品，为橡胶软管。

所述的样件弹射子系统，结构见图5-1，，包括YA型弹簧、控制器、电磁阀、滑轨、活塞、连杆、样件台、复位拉绳、控制器、活塞缸、减速弹簧、橡胶垫、支架、挡板、底座，它们的具体要求及相互关系是：该YA型弹簧采用现有产品，为该系统提供足够的弹性势能，且该弹簧响应速度较快，选用直径较大的弹簧，便于压缩过程中的稳定，该弹簧安装于活塞缸内部，一端安装在挡板上；该控制器采用现有产品，安装于保温箱体外，可以作为电磁阀的控制开关；该电磁阀采用现有产品，安装于滑轨上，作为弹射器的开关，启动控制器电磁阀供电，铁芯瞬间收回，依靠弹簧弹力把活塞连同样件台一起弹射出去；该滑轨为自行设计，滑轨总长度可以控制，固定在底座上；该活塞以及连杆采用质量轻的塑料材料制成，采用现有产品，安装于活塞缸内部，活塞在活塞缸里运动，采用低温润滑油润滑，以降低其运动阻力；该样件台为自行设计，与活塞通过连杆固连，样件在样件台上采用压板固定，最大样件可达到100mm×100mm，样件台可以选用不同的形状结构，以便于安装不同形状的样件，如翼型，曲面等；该复位拉绳采用现有产品，连接在活塞上，材质为尼龙，样件弹出后，可用电机或者人力拉动该复位拉绳，使弹射器回到弹射初始状态；该电磁阀可以水平移动，通过旋钮固定在不同的位置，在拉动复位拉绳使装置回归初始状态时可以得到不同的弹性势能，从而可以得到不同的实验速度，最大的实验速度能达到20m/s；该活塞缸为自行设计，结构见图5-4，安装在支架上，开有许多小孔，在样件加速过程中，气体可以从所有的孔中排出，当样件达到最高速度后，随着活塞遮盖的气孔增多，能排气的气孔越来越少，直至没有气孔，形成一个气垫，起到缓冲的作用；该减速弹簧以及橡胶垫，均采用现有产品，可以有效的减速运动的活塞，起到缓冲的作用；该支架与挡板为自行设计，均为长方体结构，固定在底座上，起到支撑和连接的作用；该底座为自行设计，为长方体结构，固定在保温箱体的底面上。

所述的温度传感器：本发明的系统配备了多个温度传感器，采用现有产品，能够实时监测实验箱、待测表面等的温度。

所述的高速相机图像采集子系统，采用现有产品，包括Olympus高速相机和冷光源。它们的具体要求及相互关系是：该Olympus高速相机每秒传输帧数最高可达2000帧，用以观察液滴撞击样件表面上的瞬间，液滴形态变化和结冰状况。该冷光源亮度可调，为样件表面提供光照。

Claims (1)

1.一种样件弹射式过冷液滴撞击微观观测系统，其特征在于：它包括保温箱体、小型制冷子系统、液滴发生子系统、样件弹射子系统、温度传感器、高速相机图像采集子系统；该保温箱体为系统提供封闭环境；该小型制冷子系统的蒸发器安装于保温箱体内壁，其余部件安装于保温箱体外，用铜管连接形成制冷剂回路；该液滴发生子系统主体位于保温箱体外，导管和针头伸入箱体内，能滴落连续的液滴；该样件弹射子系统安装于保温箱体中部；该温度传感器安装于保温箱体内；

所述的保温箱体为长方体，包括透明箱体门、保温壁面、电阻丝和合页；该透明箱体门位于保温箱体正面，用透明有机玻璃板制作，与侧壁用合页连接；该电阻丝位于透明箱体门内壁，用来加热以防止透明箱体门结霜起雾影响观察；该保温壁面采用双层聚氨酯即PU材料，中间加隔热层；该合页用于连接透明箱体门与保温壁面；

所述的小型制冷子系统，包括微型直流压缩机冷凝机组、蒸发器和控制器，为保温箱体形成的封闭环境制冷；该微型直流压缩机冷凝机组安装于保温箱体外；该蒸发器配备一只风扇进行风冷，该蒸发器安装在保温箱体内壁，通过铜管与微型直流压缩机冷凝机组连接形成制冷剂回路；该控制器配备液晶显示屏，温度控制范围为0～-20摄氏度，能适应不同实验条件的需要，对外部环境条件要求不高；

所述的液滴发生子系统，包括注射泵、注射器、注射针头和导管；该注射泵能连续提供液滴，注射速度可调；该注射器为医用注射器；该注射针头采用不同的口径并通过控制该注射泵注射速度来改变液滴间隔，调整适合的水滴滴落间隔以及样件台的长度，保证在样件运动过程中恰好有水滴打在试验板上；

所述的样件弹射子系统，包括YA型弹簧、控制器、电磁阀、滑轨、活塞、连杆、样件台、复位拉绳、活塞缸、减速弹簧、橡胶垫、支架、挡板、底座；该YA型弹簧为该系统提供足够的弹性势能，且该弹簧响应速度快，选用直径较大的弹簧，便于压缩过程中的稳定，该弹簧安装于活塞缸内部，一端安装在挡板上；该控制器安装在保温箱体外，能作为电磁阀的控制开关；该电磁阀安装在滑轨上，作为弹射器的开关，启动控制器电磁阀供电，铁芯瞬间收回，依靠弹簧弹力把活塞连同样件台一起弹射出去；该滑轨的总长度能控制，固定在底座上；该活塞以及连杆采用质量轻的塑料材料制成，安装于活塞缸内部，活塞在活塞缸里运动，采用低温润滑油润滑，以降低其运动阻力；该样件台与活塞通过连杆固连，样件在样件台上采用压板固定，样件台选用不同的形状结构，以便于安装不同形状的样件；该复位拉绳连接在活塞上，材质为尼龙，样件弹出后，用电机及人力拉动该复位拉绳，使弹射器回到弹射初始状态；该电磁阀能水平移动，通过旋钮固定在不同的位置，在拉动复位拉绳使装置回归初始状态时得到不同的弹性势能，从而得到不同的实验速度；该活塞缸安装在支架上，开有小孔，在样件加速过程中，气体从所有的孔中排出，当样件达到最高速度后，随着活塞遮盖的气孔增多，能排气的气孔越来越少，直至没有气孔，形成一个气垫，起到缓冲的作用；该减速弹簧以及橡胶垫，能有效的对活塞的运动进行减速，起到缓冲的作用；该支架与挡板均为长方体结构，固定在底座上，起到支撑和连接的作用；该底座为长方体结构，固定在保温箱体的底面上；

所述的温度传感器采用现有的T型热电偶，测温范围为零下200至零上350摄氏度，热响应时间3秒能够实时监测实验箱、待测表面的温度；

所述的高速相机图像采集子系统，包括Olympus高速相机和冷光源；该Olympus高速相机用以观察液滴撞击样件表面上的瞬间，液滴形态变化和结冰状况；该冷光源亮度可调，为样件表面提供光照。