CN107127190A - 超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置及其方法，目的在于解决单纯依靠超疏水表面无法杜绝飞机部件表面的结冰现象，而传统机械除冰方法又存在除冰不彻底的问题。该装置包括疏水材料薄膜、柔性压电纤维薄膜、用于测定柔性压电纤维薄膜振动的加速度传感器、动态分析模块、函数发生器、功率放大器、电源。本发明针对实验模拟环境、真实大气环境下的结冰气象条件，采用疏水材料薄膜、柔性压电纤维薄膜相配合，并通过对柔性压电纤维薄膜进行振动控制，以实现低能耗防除冰的目的。本发明能用于各类飞机、风力机、高速列车和输电线路等容易结冰部位的表面除冰处理，应用范围广、价值高、前景好，值得大规模推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及防除冰领域，尤其是防冰设备及方法领域，具体为一种超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置及其方法。本发明提供一种用于结冰气象条件下能对防除冰对象开展低能耗防除冰的装置及方法，其能够用于实验模拟环境、真实大气环境的结冰气象条件下飞机（包括旋翼飞机、直升飞机、固定翼飞机的机翼和尾翼）机翼、尾翼、风力机叶片、输电导线和高速列车等防冰部件的低能耗防除冰，具有较高的应用价值和较好的应用前景。
背景技术
结冰是飞行实践中广泛存在的一种物理现象，其是造成飞行安全事故的主要隐患之一。当飞机在环境温度低于冰点或在冰点附近的结冰气象条件下飞行时，大气中的过冷水滴撞击到飞机部件表面，会在机翼、尾翼、旋翼、进气道、风挡玻璃、天线罩、仪表传感器等部件表面发生结冰现象。飞机结冰不仅增加了飞机的重量，而且破坏了飞机表面的气动外形，改变了绕流流场，破坏了气动性能，造成飞机最大升力下降、飞行阻力上升、操作性能下降、稳定性能降低，对飞行安全造成了很大的威胁。因结冰而引发的飞行事故屡见不鲜，严重的结冰甚至可以导致机毁人亡。因此，对于飞行器的防冰、除冰研究，具有重要的现实意义。
机械除冰方法是采用机械的方法使蒙皮表面产生挠曲，通过形变将表面冰破碎并除去的方法。一般采用膨胀收缩或小幅振动的方法，以达到破碎冰的效果，该方法的优点在于节省能量，缺点在于膨胀或振动幅度过大时，将破坏飞机的气动外形，进而影响气动特性和飞行安全。另外，前述机械除冰方法还存在除冰不彻底的缺陷。因此，现有机械除冰方法主要用于尾翼除冰，而较少用于机翼除冰。综上，仅靠机械振动方式进行除冰，无法解决飞机的除冰问题。
针对机械振动除冰所存在的除冰不彻底缺陷，耦合超疏水表面的被动防冰是解决这一瓶颈的可能途径，而纳米科技的出现为这一方法的可行性带来了曙光。纳米涂层一般由纳米材料和有机涂料复合而成的，经过纳米复合的涂层及其表面，具有比一般涂层和表面更优越的物理化学特性（比如低表面能、强憎水性、高传热吸光性和良好的耐侵蚀性）。纳米涂层良好的物理化学特性能大大降低表面的粘附力，增强表面的防冰能力，从而大幅度提高振动除冰的效率，节省除冰的能耗。
2008年，我国南方雪灾造成多个省份经济和财产的严重损失，雪灾导致高压输电线路结冰，造成很多导线的断裂和塔架的倒塌，我国也因此开始重视输电导线的防除冰问题。基于纳米涂层良好的物理化学特性，研究人员将超疏水涂层涂覆在导线表面，以用于解决高压线路的防冰问题，并取得了较好的防冰效果。研究发现，超疏水涂层能改变覆冰的性质，降低冰层和基体的粘附力。
目前，各个国家都非常重视飞机除冰的低能耗问题，而超疏水涂层及其制备的表面涂层能降低结冰的产生，减少除冰所需的能耗。但单纯依靠超疏水表面无法杜绝飞机部件表面的结冰现象，而传统机械除冰方法又存在除冰不彻底的缺陷。
为此，迫切需要一种新的装置或方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对单纯依靠超疏水表面无法杜绝飞机部件表面的结冰现象，而传统机械除冰方法又存在除冰不彻底的问题，提供一种超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置及其方法。本发明针对实验模拟环境、真实大气环境下的结冰气象条件，采用疏水材料薄膜、柔性压电纤维薄膜相配合，并通过对柔性压电纤维薄膜进行振动控制，以实现低能耗防除冰的目的。本发明能用于各类飞机、风力机、高速列车和输电线路等容易结冰部位的表面除冰处理，具有较广的应用范围、较高的应用价值和较好的应用前景，值得大规模推广和应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置，包括用于设置在防除冰对象表面上的疏水材料薄膜、柔性压电纤维薄膜、用于测定柔性压电纤维薄膜振动的加速度传感器、动态分析模块、函数发生器、功率放大器、电源，所述柔性压电纤维薄膜与疏水材料薄膜无间隙连接，所述柔性压电纤维薄膜位于防除冰对象与疏水材料薄膜之间；
所述加速度传感器设置在柔性压电纤维薄膜上朝向防除冰对象的一侧，所述加速度传感器与动态分析模块相连且加速度传感器能将采集的柔性压电纤维薄膜的振动信号传递给动态分析模块；
所述动态分析模块与函数发生器相连，所述函数发生器与功率放大器相连，所述功率放大器与柔性压电纤维薄膜相连；
所述电源分别与柔性压电纤维薄膜、加速度传感器、动态分析模块、函数发生器、功率放大器电连接。
本发明的主被动防冰装置既可间断性振动探冰，又可间断性振动除冰。
所述柔性压电纤维薄膜在防除冰对象表面分区、分块铺设，其底层的各个柔性压电纤维薄膜之间留有间隙，形成间断性分区防冰区域，所述疏水材料薄膜在这些间隙位置表面与防除冰对象采用细长薄金属压条结合沉头螺钉等固定连接，或采用耐低温的粘合剂进行固定粘结，连接部位不得高于薄膜表面，以防止对表面流动的影响。
还包括耐低温的粘合层，所述柔性压电纤维薄膜与疏水材料薄膜通过粘合层紧密相连。该粘合层可以采用耐低温抗潮湿的胶制备而成。
所述柔性压电纤维薄膜不与防除冰对象表面粘结在一起且柔性压电纤维薄膜能相对防除冰对象表面振动。
所述防除冰对象为旋翼飞机、直升飞机、固定翼飞机机翼和/或尾翼，风力机叶片，输电导线，高速列车，中的一种或多种。
所述疏水材料薄膜采用憎水高分子材料制备而成。
所述疏水材料薄膜采用聚乙烯、聚四氟乙烯、玻璃纤维、聚氯乙烯（PVC）、碳纤维、石墨烯、硅橡胶、硅橡胶复合材料中的一种或多种制备而成。
所述硅橡胶复合材料是指向硅橡胶中添加高分子材料纳米级或微米级颗粒，比如16烷、17烷、18烷、甲基硅油、氟中一种或多种而形成的复合材料。
所述疏水材料薄膜通过细长薄金属压条结合沉头螺钉与防除冰对象固定相连，或采用耐低温的粘合剂与防除冰对象进行粘合。
还包括与防除冰对象相连的导线管，该导线管不能暴露于防除冰对象的外表面，防止其对周围流场的干扰和影响。
前述超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置的防除冰方法，包括如下步骤：
（1）振动测定
通过加速度传感器测定柔性压电纤维薄膜的振动信号，加速度传感器将测定的振动信号传递给动态分析模块；
（2）当动态分析模块检测到防除冰对象表面结冰时
动态分析模块反馈振动信号至函数发生器，如果测量得到的振动频率发生改变，则通过函数发生器产生新的振动波形（包括振动频率、振动幅度和相位等参数），函数发生器所产生的振动波形经功率放大器处理后传输给柔性压电纤维薄膜，柔性压电纤维薄膜根据调整后的振动参数发生相应弯曲应变和剪切应力，直到防除冰对象表面的冰被完全去除；
（3）当动态分析模块检测到防除冰对象表面未结冰时
动态分析模块反馈振动信号至函数发生器，如果测量得到的振动频率保持不变，动态分析模块则发出信号给函数发生器，指示函数发生器保持原先的振动波形即可。
包括如下步骤：
（a）对主被动防冰装置进行未结冰条件下、结冰气象条件下疏水材料薄膜和柔性压电纤维振动薄膜的振动频率、结冰厚度、结冰重量进行标定实验和计算，获得不同区域疏水材料薄膜和柔性压电纤维振动薄膜的固有振动频率等参数，并建立不同结冰厚度和重量与疏水材料薄膜和柔性压电纤维振动薄膜的固有振动频率的标定关系曲线，为后续结冰探测、除冰作业提供数据参考；
（b）根据获得的标定关系曲线，间隙性启动主被动防冰装置，使柔性压电纤维薄膜产生振动；
（c）通过设置在柔性压电纤维薄膜表面的加速度传感器测定柔性压电纤维薄膜的固有振动频率，加速度传感器将测定的振动信号传递给动态分析模块进行分析计算，获得其固有振动频率；
（d）若步骤c测定的固有振动频率与主被动防冰装置未结冰条件下获得的固有振动频率相同，则保持步骤b的间隙性振动策略；
（e）若步骤c测定的固有振动频率相对主被动防冰装置未结冰条件下的固有振动频率发生改变，说明防除冰对象发生结冰现象，则启动新的振动除冰策略；
（f）结冰现象发生后，根据结冰后的防除冰对象的振动频率与标定关系曲线中固有振动频率之间的差异关系（即根据加速度传感器测定的振动频率与未结冰条件下固有振动频率之间的差值，及标定关系曲线），采用最优控制理论和策略，动态分析模块依据结冰后的固有振动频率控制函数发生器产生新的振动波形（包括不同的振动幅度、振动频率、相位等参数），使柔性压电纤维薄膜弯曲应变达到最佳的除冰效果；
（g）若防除冰对象表面的冰未完全去除，则重复步骤f，根据最优控制理论和策略，改变振动波形及其参数，继续除冰直到防除冰对象表面的冰被除去。
所述步骤g中，若除冰完成，则执行步骤b，即可。
为了解决前述矛盾，较好地解决飞机部件表面的防除冰问题，本发明在超疏水表面制备的基础上，以探索低能耗除冰方法为目的，在保证蒙皮正常性能的前提下，通过在防冰区表面铺设超疏水材料薄膜，以此来改善蒙皮表面的结冰特性和振动除冰性能，同时结合机械振动除冰方法，研究小幅振动条件下超疏水表面对结冰和除冰的影响规律，并最终得到了本申请的技术方案。本发明提供一种超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置及其方法，对于解决目前机械除冰的缺陷、发展新概念除冰方法、节约飞机燃油消耗和保障飞行安全，均有着现实的意义。
该装置包括用于设置在防除冰对象表面上的疏水材料薄膜、柔性压电纤维薄膜、用于测定柔性压电纤维薄膜振动的加速度传感器、动态分析模块、函数发生器、功率放大器、电源，柔性压电纤维薄膜与疏水材料薄膜粘结在一起，柔性压电纤维薄膜位于防除冰对象与疏水材料薄膜之间。加速度传感器设置在柔性压电纤维薄膜上，加速度传感器与动态分析模块相连且加速度传感器能将采集的柔性压电纤维薄膜的振动信号传递给动态分析模块。动态分析模块与函数发生器相连，函数发生器与功率放大器相连，功率放大器与柔性压电纤维薄膜相连。电源分别与柔性压电纤维薄膜、加速度传感器、动态分析模块、函数发生器、功率放大器电连接。
本发明中，首先在防除冰对象的防冰区表面铺设疏水材料层，其是具有疏水性能的高分子薄膜材料层，该层采用憎水功能的高分子材料制成，比如聚乙烯、聚四氟乙烯、玻璃纤维、聚氯乙烯（PVC）、碳纤维、石墨烯等薄膜材料，或者以硅橡胶为基底材料，在硅橡胶中添加不同类型和不同比例的高分子材料纳米级或微米级颗粒（如16烷、17烷、18烷、甲基硅油、氟等）制备而成的薄膜材料或涂层。本发明中的疏水材料层的接触角很大（140度左右），而滚动角很小（5度以内）。过冷水滴撞击到本发明的疏水材料层表面后很难马上冻结，在惯性力或气动力的作用下往下游溢流，然后才能逐渐发生冻结，冻结速率比较缓慢，延缓了防冰部件表面的结冰。
同时，本发明在防除冰对象与疏水材料薄膜之间设置柔性压电纤维薄膜。本发明所采用的柔性压电纤维薄膜是一种柔性、薄膜状的压电陶瓷纤维片，由压电材料构成，在高电压的作用下有很强的柔性变形，该压电纤维片在电信号驱动下可产生较大的弯曲应变，该弯曲变形可产生较大的剪切应力，传递到疏水材料薄膜表面的结冰，使其产生破坏或破碎，在气动力或惯性力的帮助下达到除冰的目的。本发明中，将柔性压电纤维薄膜粘结、铺设或安装于疏水材料薄膜的下一层，可以在振动的作用下产生较大的弯曲形变或挠曲，使粘附、固结在防冰部件表面的冰层发生破裂或剥离，从而在惯性力或气动力作用下达到振动除冰目的。
本发明中，首先在防除冰对象的防冰表面铺设疏水性能的高分子薄膜材料（即疏水材料薄膜），或喷涂疏水性能的高分子涂层（即形成疏水材料薄膜），将柔性压电纤维薄膜铺设、安装于疏水材料薄膜下方，要求疏水材料薄膜与柔性压电纤维薄膜两者必须粘结牢固，不能留有缝隙，防止因存在间隙影响振动除冰的效果。然后，将加速度传感器安装于柔性压电纤维薄膜表面，测量该柔性压电纤维薄膜产生的振动信号，以判断防除冰对象的防冰表面是否存在结冰现象，并且将经过动态分析模块计算分析的振动参数反馈到函数发生器和功率放大器中，使其调整更加合理的振动波形及其振动参数，并输出至柔性压电纤维薄膜，使柔性压电纤维薄膜产生更加合理的弯曲应变，将剪切应力传递到防冰区表面的冰层。本发明中，将电源与各种仪器电连接，为仪器提供必要的稳定电压和电流。将加速度传感器和动态分析模块进行连接，使加速度传感器测量的振动信号能输入到动态分析模块中进行参数分析和计算，重新获得结冰后的固有振动频率，为调整更好的除冰振动策略提供参考。通过对振动参数的合理调整，使柔性压电纤维薄膜发生更为合理的弯曲应变，从而实现除冰的目的。
本发明中的防除冰对象可以是直升机旋翼叶片、旋翼飞机螺旋桨叶片、固定翼飞机的机翼和尾翼表面，可以是风力机的叶片表面、输电导线表面，或者是高速列车等其它国民经济相关装备需要防冰的部件表面，具有适应性好、应用范围广的优点。
本发明是疏水材料的主动防冰和振动方式的被动除冰相结合的新概念防除冰方法，利用铺设或粘结在防冰部件表面的疏水材料薄膜，以减少过冷水滴撞击到防冰表面发生结冰现象，再利用电控方式的振动方法对防冰表面的结冰进行破坏或剥离，耦合这两种方法进行防除冰，以达到低能耗除冰的目的。防除冰时，通电源启动柔性压电纤维薄膜，使其发生设定的振动，测量防冰部件表面的固有振动频率，判断防冰表面是否发生结冰。如果表面未结冰，则维持原先设定的振动策略。如果表面结冰，则将测量的压电纤维薄膜固有振动频率反馈到函数发生器和功率放大器，使函数发生器产生不同形状的振动信号，并使功率放大器产生更合适的信号增益和偏置，使柔性压电纤维薄膜发生更佳除冰效果的振动频率。如果表面结冰去除，则关闭电源，结束除冰过程。如果表面结冰没有去除，则改变函数发生器的振动信号和功率放大器的增益，直至表面结冰去除。
综上所述，本发明通过在直升机旋翼、旋翼飞机螺旋、固定翼飞机翼表面（机翼和尾翼表面）、风力机叶片表面、高压输电导线表面和高速列车表面等防冰表面铺设具有疏水性能的疏水材料薄膜，或喷涂具有疏水性能的高分子涂层（形成疏水材料薄膜），并在该疏水材料薄膜的下方设置柔性压电纤维薄膜，利用疏水性能的疏水材料薄膜减少过冷水滴在防冰表面的附着，减少或缓解结冰现象的发生。同时，利用该柔性压电纤维薄膜产生较大的弯曲应变，使得冻结在疏水材料薄膜表面的冰层也相应产生较大的弯曲应变，从而发生破裂或破碎，并在惯性力或气动力的作用下发生剥离或脱落，以此达到防除冰的目的。本发明中，利用电源为柔性压电纤维薄膜提供可产生弯曲应变的电能，采用函数发生器产生不同类型的振动波形，采用功率放大器对振动信号进行滤波、偏置和增益，以此来产生振动除冰所需要频率、幅度和相位。同时，采用加速度传感器对振动产生的加速度信号进行测量，采用动态分析模块对加速度信号进行分析计算，获得柔性压电纤维薄膜振动的固有振动频率等参数，将结冰后的固有振动频率等振动参数反馈给函数发生器和功率放大器，并调整振动频率、幅度和相位，使柔性压电纤维薄膜产生更合适的弯曲应变，以达到更好的除冰效果，通过上述这些硬件及其相应功能，实现飞机翼表面（机翼和尾翼）、风力机叶片表面、输电导线表面和高速列车等防冰表面的低能耗防除冰过程。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为实施例1中装置的结构示意图。
图2为实施例1中疏水材料薄膜、柔性压电纤维薄膜的结合示意图。
图中标记：1、疏水材料薄膜，2、柔性压电纤维薄膜，3、防除冰对象，4、导线管，6、功率放大器，7、函数发生器，9、电源，10、加速度传感器，11、动态分析模块，12、粘合层，13、沉头螺钉。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。下面结合附图和具体实施方式、操作流程对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图所示，本实施例的装置包括用于设置在防除冰对象表面上的疏水材料薄膜、柔性压电纤维薄膜、用于测定柔性压电纤维薄膜振动的加速度传感器、动态分析模块、函数发生器、功率放大器、电源，柔性压电纤维薄膜与疏水材料薄膜粘结在一起，柔性压电纤维薄膜位于防除冰对象与疏水材料薄膜之间。本发明针对的防除冰对象可以为各类飞机（包括但不限于直升机、旋翼飞机、固定翼飞机）机翼、尾翼，也可以是风力机叶片、输电导线和高速列车等防冰部件，本实施中以飞机机翼为例进行说明。
如图2所示，疏水材料薄膜通过细长薄金属压条结合沉头螺钉或耐低温的粘合剂与飞机机翼（或飞机机翼模型）进行连接和固定，柔性压电纤维薄膜位于疏水材料薄膜与防除冰对象之间，柔性压电纤维薄膜粘结在疏水材料薄膜上，且柔性压电纤维薄膜与疏水材料薄膜之间形成粘合层。粘合层可以为耐低温的粘合剂，也可采用AB胶、502胶、硅胶等强力胶替代，且柔性压电纤维薄膜不能与防除冰对象表面粘合，否则将无法产生振动。
本实施例中，疏水材料薄膜采用具有憎水功能的高分子材料制成，其具有接触角很大（140度左右），而滚动角很小（5度以内）的特点。在实际应用时，过冷水滴撞击到疏水材料薄膜表面后很难马上冻结，在惯性力或气动力的作用下往下游溢流，然后才能逐渐发生冻结，冻结速率比较缓慢，延缓了防冰部件表面的结冰，从而起到防冰的目的。柔性压电纤维薄膜则是一种柔性、薄膜状的压电陶瓷纤维片，由压电材料组成，具有很强的柔性变形，该压电纤维片在电信号驱动下可产生较大的弯曲应变。
本发明中，将柔性压电纤维薄膜设置在疏水材料薄膜下方，其能在振动的作用下产生较大的弯曲形变或挠曲，使粘附、固结在防除冰对象表面的冰层发生破裂或剥离，从而在惯性力或气动力作用下，达到振动除冰目的。本实施例中，柔性压电纤维薄膜与防除冰对象表面不进行粘合，保持柔性压电纤维不被固定约束，使疏水材料薄膜能够产生较大的弯曲应变，利用这种较大的弯曲应变破坏冰层与防除冰对象表面之间的粘附强度，以达到振动除冰的目的。
加速度传感器设置在柔性压电纤维薄膜上，加速度传感器与动态分析模块相连且加速度传感器能将采集的柔性压电纤维薄膜的振动信号传递给动态分析模块。动态分析模块与函数发生器相连，函数发生器与功率放大器相连，功率放大器与柔性压电纤维薄膜相连。电源分别与柔性压电纤维薄膜、加速度传感器、动态分析模块、函数发生器、功率放大器电连接。本实施例中，电源与各种仪器相连，用于为各部分提供电源，电源可以将常规的220V工业电压进行整流、变压等，从而为各部件提供电力。
本实施例中，加速度传感器主要用于测量防冰部件表面产生振动所表现的加速度特性，以此来计算和分析振动频率、幅度和相位等参数。
动态分析模块主要用于采集、分析加速度传感器所测量到的振动信号，可以获得结冰前、后防冰部件表面振动所产生的固有振动频率。同时，通过测量柔性压电纤维薄膜的固有振动频率，能判断出防冰表面是否结冰。如果防冰表面发生结冰，则柔性压电纤维薄膜的固有振动频率将发生较大变化；如果表面没有发生结冰，则柔性压电纤维薄膜的固有振动频率将保持不变。该固有振动频率与振动表面结冰的厚度、结冰类型等均有关，可以通过大量的实验进行标定，将振动表面的固有振动频率与结冰厚度、结冰类型关联起来，建立定量关系，为振动除冰过程调整振动频率、幅度和相位等参数提供判别和参考。
函数发生器是能产生不同函数形状振动型号的仪器，其能为柔性压电纤维薄膜产生和提供不同类型振动信号，其产生的振动信号输入到功率放大器进行放大和偏置等处理，并输入到柔性压电纤维薄膜中，为其提供除冰所需要的振动信号。
功率放大器与函数发生器相连，其能将函数发生器产生的不同类型信号进行偏置、滤波和增益，使振动的信号达到破坏或剥离冰层的要求（即使得柔性压电纤维薄膜产生振动除冰所需要的相位、频率和幅度）。
同时，本实施中还设置有导线管，导线管为空心管，其主要用于走线的目的，用于将该装置中涉及到的所有测量信号线、输电导线等线缆集中起来捆扎、传输，不能暴露于防除冰对象的外表面，防止其对周围流场的影响。
该装置的一种工作方式如下，包括如下步骤。
a. 首先，必须对本实施例的振动除冰装置进行没有结冰条件和结冰条件下的振动参数标定和设定，获得不同防冰区柔性压电纤维薄膜的固有振动频率，为后续间隙性结冰探测和振动除冰提供数据参考。
b. 针对防冰部件表面没有结冰的情况，间隙性启动柔性压电纤维薄膜及其供电电源，使其产生固定的振动波形，保持固定的振动频率、振动幅度和相位。
c. 利用柔性压电纤维薄膜表面的加速度传感器测量防冰区表面的固有振动频率，并反馈至动态分析模块。。
d. 如果固有振动频率没有变化，则函数发生器和功率放大器保持原有的振动波形、振动参数及其增益、偏置等，继续保持步骤b的间隙性振动策略，该振动策略主要是通过固有振动频率的变化去探测防冰部件表面是否发生结冰现象。
e. 如果固有振动频率发生改变，则说明防冰部件表面发生了结冰现象，此时，则启动新的振动除冰策略，包括改变振动频率、振幅和相位等参数，执行步骤f。
f. 采用加速度传感器测量结冰后的防冰区表面的振动信号，并将测定的振动信号输入到动态分析模块中进行分析计算，获得结冰后的防冰区表面的固有振动频率，并将结冰后的新固有振动频率反馈至函数发生器和功率放大器，使函数发生器和功率放大器产生更加合理的振动波形以及振动幅度、频率和相位等，使柔性压电纤维薄膜的弯曲应变达到最佳的除冰效果，以达到最好的除冰目的。
g. 如果没有达到除冰目的，改变振动波形及其振动参数，利用振动除冰控制规律重复步骤f，直至达到除冰目标。
本实施例中，步骤a首先对没有结冰条件和结冰条件下的振动参数标定和设定，从而找出未结冰条件下的振动参数，以及不同结冰条件下的振动参数，从而为步骤f提供参考；步骤f中依据测定的固有振动频率，即可判定相应的结冰情况，并给出最佳的振动波形、振动幅度、频率、相位，进而达到最佳的除冰效果。当除冰完成后，固有振动频率发生改变，当固有振动频率与未结冰频率一致时，则自动执行步骤d，继续检测是否发生结冰现象。
本实施例采用间隙性振动探冰策略、间隙性振动除冰策略相结合的方式，能够有效检测结冰现象的发生，并及时对防冰区表面的结冰进行去除，且耗能少，应用前景好，具有较高的应用价值，对于除防冰具有重要的意义。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置，其特征在于，包括用于设置在防除冰对象表面上的疏水材料薄膜、柔性压电纤维薄膜、用于测定柔性压电纤维薄膜振动的加速度传感器、动态分析模块、函数发生器、功率放大器、电源，所述柔性压电纤维薄膜与疏水材料薄膜无间隙连接，所述柔性压电纤维薄膜位于防除冰对象与疏水材料薄膜之间；
所述加速度传感器设置在柔性压电纤维薄膜上朝向防除冰对象的一侧，所述加速度传感器与动态分析模块相连且加速度传感器能将采集的柔性压电纤维薄膜的振动信号传递给动态分析模块；
所述动态分析模块与函数发生器相连，所述函数发生器与功率放大器相连，所述功率放大器与柔性压电纤维薄膜相连；
所述电源分别与柔性压电纤维薄膜、加速度传感器、动态分析模块、函数发生器、功率放大器电连接；
所述主被动防冰装置能间断性振动探冰，及间断性振动除冰。
2.根据权利要求1所述超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置，其特征在于，所述柔性压电纤维薄膜在防除冰对象表面分区、分块铺设，相邻柔性压电纤维薄膜之间留有间隙，形成间断性分区防冰区域；所述柔性压电纤维薄膜在间隙处与防除冰对象相连，且连接部位不得高于疏水材料薄膜表面以防止对表面流动的影响。
3.根据权利要求1所述超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置，其特征在于，还包括粘合层，所述柔性压电纤维薄膜与疏水材料薄膜通过粘合层紧密相连。
4.根据权利要求1所述超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置，其特征在于，所述柔性压电纤维薄膜与防除冰对象之间采用金属压条结合沉头螺钉进行固定连接，或采用耐低温粘合剂进行固定粘结，且连接部位不得高于疏水材料薄膜表面以防止对表面流动的影响；
所述柔性压电纤维薄膜不与防除冰对象表面粘结在一起且柔性压电纤维薄膜能相对防除冰对象表面振动，以保证柔性压电纤维薄膜振动时，能将应力往超疏水材料方向传递。
5.根据权利要求1-4任一项所述超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置，其特征在于，所述防除冰对象为旋翼飞机、直升飞机、固定翼飞机的机翼和尾翼、风力机叶片、输电导线、高速列车中的一种或多种。
6.根据权利要求1-4任一项所述超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置，其特征在于，所述疏水材料薄膜采用憎水高分子材料制备而成。
7.根据权利要求6所述超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置，其特征在于，所述疏水材料薄膜采用聚乙烯、聚四氟乙烯、玻璃纤维、聚氯乙烯、碳纤维、石墨烯、硅橡胶、硅橡胶复合材料中的一种或多种制备而成。
8.前述权利要求1-7任一项所述超疏水材料和振动除冰相耦合的主被动防冰装置的防除冰方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）振动测定
通过加速度传感器测定柔性压电纤维薄膜的振动信号，加速度传感器将测定的振动信号传递给动态分析模块；
（2）当动态分析模块检测到防除冰对象表面结冰时
动态分析模块反馈振动信号至函数发生器，如果测量得到的振动频率发生改变，则通过函数发生器产生新的振动波型，函数发生器所产生的振动波型经功率放大器处理后传输给柔性压电纤维薄膜，柔性压电纤维薄膜根据调整后的振动参数发生相应弯曲应变和剪切应力，直到防除冰对象表面的冰被完全去除；
（3）当动态分析模块检测到防除冰对象表面未结冰时
动态分析模块反馈振动信号至函数发生器，如果测量得到的振动频率保持不变，动态分析模块则发出信号给函数发生器，指示函数发生器保持原先的振动波形即可。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（a）对主被动防冰装置进行未结冰条件下、结冰条件下疏水材料薄膜和柔性压电纤维振动薄膜的振动频率、结冰厚度、结冰重量进行标定实验和计算，获得不同区域疏水材料薄膜和柔性压电纤维振动薄膜的固有振动频率，并建立不同结冰厚度和重量与疏水材料薄膜和柔性压电纤维振动薄膜的固有振动频率的标定关系曲线，为后续结冰探测、除冰作业提供数据参考；
（b）根据获得的标定关系曲线，间隙性启动主被动防冰装置，使柔性压电纤维薄膜产生振动；
（c）通过设置在柔性压电纤维薄膜表面的加速度传感器测定柔性压电纤维薄膜的固有振动频率，加速度传感器将测定的振动信号传递给动态分析模块进行分析计算，获得其固有振动频率；
（d）若步骤c测定的固有振动频率与主被动防冰装置未结冰条件下获得的固有振动频率相同，则保持步骤b的间隙性振动策略；
（e）若步骤c测定的固有振动频率相对主被动防冰装置未结冰条件下的固有振动频率发生改变，说明防除冰对象发生结冰现象，则启动新的振动除冰策略；
（f）根据加速度传感器测定的振动频率与未结冰条件下固有振动频率之间的差值，及标定关系曲线，动态分析模块依据结冰后的固有振动频率控制函数发生器产生新的振动波形，使柔性压电纤维薄膜弯曲应变达到最佳的除冰效果；
（g）若防除冰对象表面的冰未完全去除，则重复步骤f，根据最优控制理论和策略，改变振动波形及其参数，继续除冰直到防除冰对象表面的冰被除去。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤g中，若除冰完成，则执行步骤b，即可。
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