CN111398167B - 一种表面结冰粘附力无线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种表面结冰粘附力无线测量装置及方法，涉及粘附力检测领域，包括用于贴附在测试区域的测试片，所述测试片远离测试区域的一侧设有多组应变片，多组应变片间隔布置在测试片上的四周边沿，用于获取测试片的表面应力变化；所述应变片与控制器电联，所述控制器通过测量模块获取应变片数据，用于通过无线通信发送至外部显示终端进行显示，通过在测试片上的四周边沿部分均设置应变片，解决叶片在旋转过程中结冰位置、厚度的不确定性的问题，配合无线传输测量数据，将测量片表面的应力变化实时测取并实现实时观测，为研究叶片表面结冰情况提供充分的数据参考。

Description

一种表面结冰粘附力无线测量装置及方法

技术领域

本公开涉及粘附力检测领域，特别涉及一种表面结冰粘附力无线测量装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

随着气候的改变，风力机叶片上的结冰问题也越来越受到关注，为了解决风力叶片结冰产生的相关问题，需要对叶片进行防除冰实验；在叶片防除冰实验中，对于结冰粘附力这一重要参数的测量尤为重要，但是，粘附力的相关测量方案和理论研究发展缓慢，难以满足解决叶片结冰问题的需求。

发明人发现，目前对叶片表面结冰粘附力的测量手段多是针对静止状态，而对于风力机叶片而言，在工作运行过程中是处于转动状态的，其叶片表面结冰过程中的影响因素与静止状态下的物品并不相同，静止状态下的结冰粘附力测量并不能对叶片表面结冰提供精确的参考作用，难以精确反映出转动情况下的叶片表面的结冰情况；另外，运动过程中的叶片表面结冰粘附力的测量要求和传输要求较高，传统的有线串联各模块的方式受到转动的影响并不能满足使用需求，导致目前风力机叶片的结冰问题难以得到可靠的实验数据参考。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种表面结冰粘附力无线测量装置及方法，通过在测试片上的四周边沿部分均设置应变片，解决叶片在旋转过程中结冰位置、厚度的不确定性的问题，配合无线传输测量数据，将测量片表面的应力变化实时测取并实现实时观测，为研究叶片表面结冰情况提供充分的数据参考。

本公开的第一目的是提供一种表面结冰粘附力无线测量装置，包括以下步骤：

包括用于贴附在测试区域的测试片，所述测试片远离测试区域的一侧设有多组应变片，多组应变片间隔布置在测试片上的四周边沿，用于获取测试片的表面应力变化；所述应变片与控制器电联，所述控制器通过测量模块获取应变片数据，用于通过无线通信发送至外部显示终端进行显示。

本公开的第二目的是提供一种表面结冰粘附力无线测量方法，利用上述的表面粘附力无线测量装置，包括以下步骤：

将测试片贴附在测试区域，在测试片上四周边沿均匀布置多组应变片；

测试区域旋转并使测试片表面结冰附着，使测试片表面应力变化；

测量模块通过应变片测取测试片表面的应力变化数据并发送至控制器；

控制器接收应力变化数据通过无线通信发送至外部显示终端进行显示。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)设置测试片贴附在测试区域上，直接将测试片作为结冰区域，并在结冰区域设置应变片进行测量，解决转动过程中凝结区域和凝结厚度不确定的问题，可总体测出结冰粘附力对结冰材料表面的应力分布的影响，减少了结冰不均匀对实验数据的干扰；

(2)在结冰区域的四周设置多组应变片，抵消结冰区域的材料受到离心力影响形变引起的误差，克服各个方向相变不确定性的问题，从而避免单方向测量所造成的实验误差。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例1、2的测量装置的整体结构示意图；

图2是本公开实施例1、2中应变片对应的应变测量电路的示意图；

图3是本公开实施例1、2中无线通信对应电路的示意图。

图中：1-应变片，2-粘附区域，3-测试片，4-应变测量电路，5-单片机，6-传输模块，7-显示终端。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中静止状态下的结冰粘附力测量并不能对叶片表面结冰提供精确的参考作用，难以精确反映出转动情况下的叶片表面的结冰情况；运动过程中的叶片表面结冰粘附力的测量要求和传输要求较高，传统的有线串联各模块的方式受到转动的影响并不能满足使用需求；针对上述问题，本公开提出了一种表面结冰粘附力无线测量装置及方法。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提出了一种表面结冰粘附力无线测量装置。

主要包括布置在测试区域的附着结构、测量结构和控制结构，其中，附着结构包括测试片3和设置在测试片上的应变片1，测量结构包括测量模块，控制结构包括控制器，控制器内置传输模块6，对应显示结构为外部显示终端7；

应变片有多组，间隔布置在测试片上四周边沿；多组应变片均分别于测量模块电联，控制器与测量模块电联，获取测量模块的数据并通过传输模块发送至外部显示终端；

所述控制器、测量模块随测试片共同贴附在待测区域，随待测区域共同转动，实时测取测试片结冰过程中的应力变化。

具体的，在本实施例中，各部分的详细结构为：

对于测试片，为扁平的板件结构，一侧贴附于测试区域，远离测试区域的一侧设有多组应变片，多组应变片间隔布置在测试片上的四周边沿，获取测试片的表面应力变化；

应变片从四周将测试片的中心区域围绕起来，形成结冰粘附区域2，在测量过程中，结冰粘附区域在测试区域旋转过程中结冰，从而使测试片表面的应力发生变化，应变片获取此应力变化。

可以理解的是，在本实施例中，所述的测试片为矩形板件结构，设置的多组应变片相对于测试片的两条对称轴对称布置；

在其他的实施方式中，还可以将测试片设置为其他形状，比如正方形板件、圆形板件或其他规则形状的板件，为了保证应变片测量的精度，可以将多组应变片相对于测试片本身的对称轴对称布置，使得位于对称轴两侧的应变片获取的数据能够相互补充，提高测量精度；

另外，当将测试片设置为圆形板件时，也可以将多组应变片相对于圆心呈中心对称布置，利用圆形的特性减小误差，提高测量精度；

其他形状测试片的布置方式，在尽可能减小测量误差、提高测量精度的前提下，根据需求和实际场景进行合理布置即可，在此不再赘述。

需要特别指出的是，对旋转中的结冰粘附力进行测量时，由于结冰区域具有不确定性，静止测量结冰粘附力时，能够固定区域将应变片粘贴于结冰区域外围或结冰区域下方都可测出一定数据；但是对于风力机叶片，其在工作时处于旋转转台，在高速旋转状态下，旋翼遇到过冷水滴凝结，其凝结区域与不同区域的凝结厚度具有不确定性，无法提前预测；

而在本实施例中，抛弃将应变片粘附于结冰区域下方的方式，而是提前设置部分结冰区域，直接将测试片贴附在测试区域，随测试区域对应的叶片表面一起结冰附着，在结冰区域四周黏贴应变片进行测量，可总体测出结冰粘附力对结冰材料表面的应力分布的影响，大大避免了结冰不均匀对实验数据的干扰。

对于应变片，其环绕布置在测试片上，在测试片上发生结冰附着时，测试片表面应力分布发生变化，应变片测取测试片的表面应力变化；

在测试区域旋转过程中，由于离心力的存在，导致结冰区域的材料会在结冰之前有一定的形变，旋转过程中的速度变化与过冷水滴的撞击都会导致此形变，且各个方位的形变具有不确定性；

通过将应变片设置为多组，在结冰区域的材料四周各个方位分布多组应变片，多组应变片能够覆盖测量测试片各个方向的形变，可避免单方向测量所造成的实验误差；提高测量精度。

可以理解的是，在本实施例中，测试区域为能够旋转的叶片表面，应变片设置为10组，如图1所示，在测试片为矩形板件结构时，以图1为正视方向，测试片的顶部和底部分别设置有3组应变片，两侧分别设置有4组应变片，其中四个角上的应变片为纵向和横向共用；

在测试片随测试区域转动过程中，应变片也随测试片一起转动，测量模块与所有应变片分别电联，从应变片获取测试片表面应力变化数据并发送至控制器。

多组应变片间隔均匀布置在测试片，并采用全桥应变片，即采集电路整体采用全桥应变片测量电路，能够准确直接的得到应变变化数据；

当然，也可以根据需求选择其他方式的应变片布置方式和采集方式，比如改变应变片的数量，改变采集电路的连接方式等，能够满足采集需求即可。

对于控制器，其获取测量模块采集的应变片数据，经过处理后发送至外部显示终端进行显示；

当然，可以理解的是，对于测量模块，其内部为应变测量电路4，其可以单独设置，也可以直接集成在控制器中，能够获取应变片的数据并进行处理即可；

控制器也可以集成无线传输模块，实现无线传输功能，也可以将传输模块单独设置，与控制器进行电联，控制器将待发送的数据通过传输模块发送至外部的显示终端，供给查看。

在本实施例中，控制器的核心处理部分采用单片机5，其结构小，易于集成，能够减少对叶片旋转的干扰，并方便布置。

在本实施例中，传输模块选用被动型串口设备联网的wifi数据传输电路，利用wifi实现无线通信、数据传输，传输模块与现实终端无线通信连接，从而解决传统有线传输难以应用于旋转叶片上的问题；通过无线传输能够实时将控制器获取的数据发送到外部显示终端上。

需要特别指出的是，传输模块不仅能够单向传输数据，还能够实现双向通信，获取外部指令传输至控制器，使其控制整个测量装置的启停、调整等操作；

在本实施例中所述的外部显示终端为一个代称，不限于显示类的终端设备，还可以是PC、服务器等设备，能够将测取的数据进一步计算和处理，从而获取更适合进行分析的数据。

在本实施例中，选用STM32单片机，在其他实施方式中，也可以根据需求选择其他类型的单片机，在此不做限制。

通过应变片实时获取测试片表面的应力变化，能够测量采集到旋转状态下测试区域结冰过程中的粘附力变化曲线数据，克服有限数据传输的限制，远程实时控制测量过程。

实施例2

本公开的另一典型实施例中，如图1-图3所示提供一种表面结冰粘附力无线测量方法。

利用实施例1中所述的表面结冰粘附力无线测量装置，包括以下步骤：

将测试片贴附在测试区域，在测试片上四周边沿均匀布置多组应变片，所述应变片对称布置在测试片上；

测试区域旋转并使测试片表面结冰附着，所述控制器、测量模块随测试片共同旋转，使测试片表面应力变化；

测量模块通过应变片测取测试片表面的应力变化数据并发送至控制器；

控制器接收应力变化数据通过无线通信发送至外部显示终端进行显示。

具体的，本实施例给出一组实际测量时工作过程：

粘附测试片3上中央位置为粘附区域2，在四周均匀分布有10组全桥应变片；

当测试片发生冰附着，改变粘附测试片3表面应力分布；

10组全桥应变片1将应力变化数据经应变测量电路4和ADS1222模数转换芯片以50ms的采样周期读入STM32F103ZET6单片机5内；

再经ESP8266串口wifi传输模块6将数据传输至其他设备显示终端7，可实时观测数据；

当数据采集完毕，可通过终端7向wifi传输模块6传输控制命令，STM32单片机5接受到命令，可及时关闭测量电路。

可用于处于旋转状态下结冰粘附力的测量，基于全桥应变片的粘附力测量网络可保证测量精度。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种表面结冰粘附力无线测量装置，其特征在于，包括用于贴附在测试区域的测试片，所述测试片远离测试区域的一侧设有多组应变片，多组应变片间隔布置在测试片上的四周边沿，用于获取测试片的表面应力变化；所述应变片与控制器电联，所述控制器通过测量模块获取应变片数据，用于通过无线通信发送至外部显示终端进行显示；

应变片共同围绕测试片中心区域形成结冰粘附区域，所述结冰粘附区域用于在测试区域旋转过程中结冰；

所述测量模块测取结冰粘附区域结冰过程中测试片表面应力变化。

2.如权利要求1所述的表面结冰粘附力无线测量装置，其特征在于，所述控制器、测量模块随测试片共同贴附在待测区域。

3.如权利要求1所述的表面结冰粘附力无线测量装置，其特征在于，所述测量模块包括应变测量电路，与所有应变片分别电联，从应变片获取测试片表面应力变化数据并发送至控制器。

4.如权利要求1所述的表面结冰粘附力无线测量装置，其特征在于，所述应变片相对于测试片对称轴对称布置。

5.如权利要求1所述的表面结冰粘附力无线测量装置，其特征在于，所述的应变片为全桥应变片。

6.一种表面结冰粘附力无线测量方法，其特征在于，利用如权利要求1-5任一项所述的表面结冰粘附力无线测量装置，包括以下步骤：

将测试片贴附在测试区域，在测试片上四周边沿均匀布置多组应变片；

测试区域旋转并使测试片表面结冰附着，使测试片表面应力变化；

测量模块通过应变片测取测试片表面的应力变化数据并发送至控制器；

控制器接收应力变化数据通过无线通信发送至外部显示终端进行显示。

7.如权利要求6所述的表面结冰粘附力无线测量方法，其特征在于，所述应变片对称布置在测试片上。

8.如权利要求6所述的表面结冰粘附力无线测量方法，其特征在于，所述控制器、测量模块随测试片共同旋转。

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