CN109733616A - 一种基于超声波的低能耗快速探测及除冰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声波应用及除冰方法领域，具体涉及一种基于超声波的低能耗快速探测及除冰方法。首先利用电热法结合快温技术将结构表面升温到‑10℃以上，使覆冰粘接强度降低至数百KPa，然后开启超声激励模块，利用超声波在覆冰区域传播时产生的水平剪切波SH波和lamb波，在覆冰与基板界面产生速度差形成剪切力，使覆冰脱落；同时，超声激励模块可应用于基于相控阵技术的超声积冰远程探测，通过收集反馈的超声信号，监测结构表面的积冰情况。本发明具有低能耗，除冰效果好，不影响结构表面气动外形等优势。
Description
技术领域
本发明涉及超声波应用及除冰方法领域，具体涉及一种基于超声波的低能耗快速探测及除冰方法。
背景技术
飞机作为现代社会中常见的一种交通工具，同时也是重要的军事武器之一，越来越成为现代社会不可分割的一部分。而飞机积冰现象则是已知的威胁飞机飞行安全的重要因素之一。
由于飞机穿过云层时，云层中的过冷小水滴与机体接触后发生结冰现象，或者高湿度的空气在低温环境下直接在机体表面凝结形成冰层。当外界温度低于零度时，飞机穿行于含有过冷大水滴的云层中时，表面就会产生明显的覆冰层，覆盖于飞机的整流罩、机翼表面或发动机的进气口处，对于飞机表面的气动特性具有较大的影响，严重会直接导致飞机失去控制，造成重大飞行事故。
对此，国内外从上世纪20年代开始研究飞机防除冰技术，并取得了很多进展。
目前，常用的飞机表面防除冰技术有电热法、气囊除冰法、防冰涂层等。其中电热发通过电力加热结构表面使冰层融化，缺点在于能耗较高，且容易形成二次结冰；气囊除冰法通过气囊的膨胀收缩使冰层碎裂脱落，缺点在于会影响结构的气动外形，仅适用于低速飞机；防冰涂层法通过在结构表面涂抹疏水涂层减少覆冰，无能耗损失但耐用性较低，除冰效果差。
发明内容
本发明提供了一种基于超声波的低能耗快速探测及除冰方法，基于超声波技术，以提高除冰速度，降低除冰能耗。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于超声波的低能耗快速探测及除冰方法，包括：
步骤一：将电热装置均匀分布安装在待除冰的结构表面，将超声激励器均匀分布安装在待除冰的结构内表面；
步骤二：利用上述均匀分布的超声激励器，产生和收集超声波信号，通过分析超声波信号的变化情况，得到结构表面的结冰信息；
步骤三：通过上述结构表面结冰信息分析，打开电热装置，通过其快速升温产生覆冰粘接界面热应力，以此降低覆冰粘接强度，等待进入后续超声除冰范围；
步骤四：通过启动超声激励器产生超声波，利用超声波在积冰区域传播时产生的水平剪切波即SH波和lamb波，在覆冰与基板界面产生速度差，形成剪切力去除覆冰；
步骤五：通过超声激励器作为积冰监测设备收集反馈的超声信号，根据实时积冰厚度、位置等信息，判断得到是否再次开启除冰设备。
技术说明：
步骤一包括：将电热装置均匀分布安装在待除冰的结构表面，将超声激励器均匀分布安装在待除冰的结构内表面，
其中，所述电热装置为多壁碳纳米管/环氧树脂复合材料，能够实现快速温度反应，其电热效率高、工作稳定性和热稳定性好；所述的超声激励器由压电材料制成，将高频电信号转化为机械振动产生超声波，同时作为传感器将超声信号转化为电信号；
步骤三包括：通过上述结构表面结冰信息分析，打开电热装置，通过其快速升温产生覆冰粘接界面热应力，以此降低覆冰粘接强度，等待进入后续超声除冰范围，
其中，所述升温过程只需加热至-10℃，不需要融化积冰；
步骤五包括：通过超声激励器作为积冰监测设备收集反馈的超声信号，根据实时积冰厚度、位置等信息，判断得到是否再次开启除冰设备，
其中，所述超声激励器间隔一定距离均匀分布在结构内表面，利用相控阵技术监测结构表面积冰情况；
本发明的有益效果在于：
1.本发明的整体能耗较低，相比传统的电热发除冰，能耗降低一半以上；
2.本发明在除冰过程中不需要融化积冰，除冰后无二次结冰，除冰效果更好；
3.本发明在除冰过程中不会改变结构的气动外形；
4.本发明的除冰、监测设备共用，可实时精确监测积冰信息，除冰效率更高；
附图说明
图1为一种基于超声波的低能耗快速探测及除冰方法的流程图；
图2为基于超声波的低能耗快速探测及除冰装置的示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
图1为一种基于超声波的低能耗快速探测及除冰方法的流程图；
图2为基于超声波的低能耗快速探测及除冰装置的示意图；
附图说明：覆冰1，电热装置2，结构表面3，超声激励器4。
本发明提供了一种基于超声波的低能耗快速探测/除冰方法，具体步骤包括如图1所示的三部分：
1、超声激励器实时监测结构表面积冰情况。
所述超声激励器由压电材料制成，可同时作为激励器和传感器，将超声激励器间隔一定距离均匀分布在结构内表面，部分设备作为激励器产生超声波，部分设备作为传感器收集超声信号，通过分析超声信号的变化情况，确定积冰厚度、位置等信息。
2、打开电热装置，利用低能耗快速升温技术使结构表面快速升温至-10℃，降低覆冰粘接强度
所述电热装置为低能耗快速升温功能表面材料，利用功能表面的快速升温产生的覆冰粘接界面热应力来降低覆冰粘接强度。无需加热至冰层融化，可节省大量能耗。
3、启动超声激励器，去除覆冰。
所述超声激励器启动后产生超声波，利用超声波在积冰区域传播时产生的水平剪切波(SH波)和lamb波，在覆冰与基板界面产生速度从形成剪切力。这种剪切力对积冰的力学性能产生冲击和破坏作用，使积冰产生脱落失效和碎裂失效，具有显著的低能耗特征。
本发明可应用到飞机、轮船等对除冰有要求的领域。
相比传统的电热法除冰，本发明所述的一种基于超声波的低能耗快速探测/除冰方法能耗更低，其原理如下：冰的比热容为2.1KJ/(KG·℃)，熔解热为235KJ/KG，因此1/10的熔解热可使冰层升温10℃。同时，铝板表面的冰层粘接强度随温度降低而增大，如果采用传统的电热除冰技术需要完全融解覆冰，需要消耗大量电能(约为2w/cm2)而使覆冰结构表面升温10℃所需能量仅为溶解能量的十分之一，同时升温10℃以后，冰层的粘接强度下降一倍。即通过本发明所述的除冰方法，先利用电热法升温以降低覆冰粘接强度，使得覆冰粘接强度进入KPa级后采用超声波除冰，总能耗可降低至0.96w/cm2。
本发明的技术方案：一种基于超声波的低能耗快速探测/除冰方法。包括以下步骤：
在结构表面安装电热装置和超声激励器。所述电热装置为多壁碳纳米管/环氧树脂复合材料，具备优异的快速温度反应、电热效率、工作稳定性和热稳定性能，通电后能够在较短时间内升温至指定温度。所述超声激励器由压电材料制成，可以将高频电信号转化为机械振动，产生超声波在结构中传播，也可以作为传感器，将超声信号转化为电信号。
利用均匀分布的超声激励器产生和收集超声信号，分析超声信号的变化情况，从而监测结构表面的结冰信息。
结构表面结冰后，打开电热装置，利用快速升温至-10℃产生的覆冰粘接界面热应力来降低覆冰粘接强度，使其进入后续超声除冰范围。升温过程不需要融化冰层，预计能耗为0.9w/cm^2。
启动超声激励器产生超声波，利用超声波在积冰区域传播时产生的水平剪切波(SH波)和lamb波，在覆冰与基板界面产生速度差，从而形成剪切力，去除覆冰。预计能耗为0.06w/cm^2。
超声激励器可同时作为积冰监测设备，间隔一定距离均匀分布在结构内表面，通过收集反馈的超声信号，确定积冰厚度、位置等信息，出现明显积冰后再开启除冰设备，提高除冰效率。
Claims (4)
1.一种基于超声波的低能耗快速探测及除冰方法，其特征在于，包括：
步骤一：将电热装置均匀分布安装在待除冰的结构表面，将超声激励器均匀分布安装在待除冰的结构内表面；
步骤二：利用上述均匀分布的超声激励器，产生和收集超声波信号，通过分析超声波信号的变化情况，得到结构表面的结冰信息；
步骤三：通过上述结构表面结冰信息分析，打开电热装置，通过其快速升温产生覆冰粘接界面热应力，以此降低覆冰粘接强度，等待进入后续超声除冰范围；
步骤四：通过启动超声激励器产生超声波，利用超声波在积冰区域传播时产生的水平剪切波即SH波和lamb波，在覆冰与基板界面产生速度差，形成剪切力去除覆冰；
步骤五：通过超声激励器作为积冰监测设备收集反馈的超声信号，根据实时积冰厚度、位置等信息，判断得到是否再次开启除冰设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的低能耗快速探测及除冰方法，其特征在于，所述的步骤一包括：将电热装置均匀分布安装在待除冰的结构表面，将超声激励器均匀分布安装在待除冰的结构内表面；
其中，所述电热装置为多壁碳纳米管/环氧树脂复合材料，能够实现快速温度反应，其电热效率高、工作稳定性和热稳定性好；所述的超声激励器由压电材料制成，将高频电信号转化为机械振动产生超声波，同时作为传感器将超声信号转化为电信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波的低能耗快速探测及除冰方法，其特征在于，所述的步骤三包括：通过上述结构表面结冰信息分析，打开电热装置，通过其快速升温产生覆冰粘接界面热应力，以此降低覆冰粘接强度，等待进入后续超声除冰范围；
其中，所述升温过程只需加热至-10℃，不需要融化积冰。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波的低能耗快速探测及除冰方法，其特征在于，所述的步骤五包括：通过超声激励器作为积冰监测设备收集反馈的超声信号，根据实时积冰厚度、位置等信息，判断得到是否再次开启除冰设备；
其中，所述超声激励器间隔一定距离均匀分布在结构内表面，利用相控阵技术监测结构表面积冰情况。
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