CN115541492A - 一种可重复精确测量冰粘附力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重复精确测量冰粘附力的装置及方法，该装置包括静态加载模块、温度维持模块，推拉力传感器，以及设置在推拉力传感器上的弹性缓冲元件；在温度维持模块所提供的稳定温度环境下，静态加载装置带动所述推拉力传感器沿X轴和Y轴方向移动，并通过连接线拉动多个结冰样品，使其从待测基底上脱离；其中，该待测基底上的多个结冰模具预先划分为预演批和测试批，试验时，先根据预演批中多个结冰模具中的结冰样品脱离待测基底时的粘附力和所需时间确定最佳加载速度，再根据该最佳加载速度进行加载，使得测试批的每个结冰样品脱离待测基底，最后根据测得的测试批的多个结冰样品的所有粘附力平均值得到待测粘附力。

Description

一种可重复精确测量冰粘附力的装置及方法

技术领域

本发明涉及力学测量技术领域，尤其涉及一种可重复精确测量冰粘附力的装置及方法。

背景技术

结冰问题一直都是危害航空安全、交通运输、供电系统等的重要因素，如飞机机翼或平尾结冰影响飞行安全，路面或铁轨结冰易导致安全事故，输电线结冰影响电力输送，严重可能导致杆塔倒塌等。研究冰粘附力机理是防冰和除冰的基础，具有重要的科学意义。测量冰粘附力是研究冰粘附力机理的重要实验手段，目前所用的主流方法主要有直接推拉法和离心测量法，这些方法都是先将样品在基底上进行冻结，冻结后安装在实验台上进行测量，然而，冻结过程和测量过程中的环境因素变化，尤其是温度变化会使得测量结果偏差过大，可重复性差；另一方面，都是采用单个样品进行冻结，然后进行测量实验。例如，申请号为CN201810877845.7的中国发明专利申请提出的一种附冰粘附强度测试装置，其通过向冷台上的套筒中注入液体并冷却至形成冰柱，然后通过移动平台拉动冰柱使其脱离待测基底表面。

然而，要得到结冰粘附力的准确结果往往需要测量多组实验数据，且为了保证实验结果的准确，需要在相同环境下实验，因此使用常规方法测量结冰粘附力的耗时较长，效率低下，同时难以长时间保证环境参数，尤其是温度的稳定，从而会给实验带来较大的误差，同时可重复性差。

针对此，申请号为CN202110125392.4的中国发明专利申请提出了一种冰层粘附力测量装置，其通过在一环形转盘上安装多块实验板，即结冰基底，转盘中间设置用于推动冰层的探头，设置在探头上的压力传感器，以及驱动探头运动的驱动装置。该装置能够在同一结冰条件下成多个结冰样品并对多个结冰样品进行测量，避免了多次实验中温度、液态水含量等环境因素变化造成的偏差过大，从而导致测量结果的误差。

虽然上述测量装置能够在同一结冰条件下成多个结冰样品并对结冰样品进行测量，但并未提及如何保证在同一试验环境，尤其是温度环境下对多个结冰样品进行测量。然而，在实际应用中，由于是一个结冰样品一个结冰样品的测量，并且，测量过程中，要实现力的静态加载，驱动探头的运动速度就需要非常低，因此，在测量过程中，随着时间的流逝，还未测量的结冰样品逐渐融化，从而使得试验的可重复性差。若为了避免结冰样品融化就需要将整个装置放置到一个大型制冷设备，例如，恒温试验箱中，不仅成本高，而且，对于压力传感器等电子设备而言，环境温度过低势必会影响其性能，从而造成误差。

有鉴于此，目前尚缺乏一种不仅能够提供稳定的温度环境，且结构简单、重复性高的测量装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可重复精确测量冰粘附力的装置及方法，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够精确地测量冰层与待测基底之间的粘附力，且可重复性高。

为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：

本发明的第一方面，在于提供一种可重复精确测量冰粘附力的装置，其包括：上位机，多个结冰模具与所述上位机相连的静态加载模块，设置在该静态加载模块上的推拉力传感器，以及温度维持模块；其中，所述温度维持模块包括：用于为位于待测基底上的多个结冰模具中的液体提供稳定的结冰环境的半导体制冷装置；用于向所述半导体制冷装置循环输入冷媒的冷媒供给装置；用于盖在所述半导体制冷装置和所述待测基底上，以隔绝外界温度的隔热箱；用于向所述隔热箱充入惰性气体，以降低热交换的供气装置；

所述静态加载模块包括：用于沿Y轴带动所述推拉力传感器移动的Y轴移动平台；用于沿X轴带动所述Y轴移动平台移动的X轴移动平台；用于分别驱动所述Y轴移动平台和所述X轴移动平台的驱动器；所述驱动器与所述上位机相连。

本发明的一些实施例中，所述推拉力传感器上设置有弹簧。

本发明的第二方面，在于提供一种可重复精确测量冰粘附力的方法，所述一种可重复精确测量冰粘附力的方法基于一种可重复精确测量冰粘附力的装置，所述一种可重复精确测量冰粘附力的装置包括：用于实现力的静态加载的静态加载模块，设置在所述静态加载模块一侧的温度维持模块，安装在所述静态加载装置上的推拉力传感器，所述推拉力传感器上设置有弹性缓冲元件，其中，所述静态加载装置在上位机的控制下，带动所述推拉力传感器沿X轴和Y轴方向移动，并通过连接线拉动结冰样品，使其从待测基底上脱离；相应地，所述一种可重复精确测量冰粘附力的方法包括步骤：

将所述温度维持模块中半导体制冷装置接入电源，并向所述半导体制冷装置内的循环管路内循环输入冷媒，使得位于所述半导体制冷装置上的所述待测基底的温度达到预设的目标温度；

将结冰用液体依次装入预先放置在所述待测基底上的多个结冰模具中；所述多个结冰模具按照预设的排布方式划分为预演批和测试批；

将所述温度维持模块中的隔热箱盖在所述半导体制冷装置和所述待测基底上，并持续向所述隔热箱内充入惰性气体，以等待所述液体结冰；

当完成结冰时，得到所述预演批的多个结冰样品和所述测试批的多个结冰样品；

针对所述预演批中的每个所述结冰样品，所述静态加载装置分别以不同的加载速度进行力的静态加载，以使得所述预演批中的多个结冰样品脱离所述待测基底，并根据所述预演批中所有所述结冰样品脱离时的粘附力和所需时间确定最佳加载速度；

所述静态加载装置以所述最佳速度移动以进行力的静态加载，使得所述测试批中的多个结冰样品脱离所述待测基底；

获取所述传感器所采集到的所述测试批中各个所述结冰样品脱离所述待测基底时的粘附力，并计算平均值，得到所述结冰样品与所述待测基底表面的待测粘附力。

本发明通过提前设置预演批和测试批，并从而预演批来为待测基底、结冰样品、弹性缓冲元件找到一个相匹配的最佳加载速度，即除去偏差较大的粘附力后剩余粘附力中，对应的所需时间最少的加载速度，然后以该最佳加载速度，在相同的试验环境下对测试批的多个结冰样品进行测量，并根据测量结果求取平均值，得到最终结果，提高了测量精度。

在本发明的一些实施例中，根据所述预演批中所有所述结冰样品脱离是的粘附力和所需时间确定所述最佳加载速度的步骤，具体包括：获取所述预演批中每个所述结冰样品脱离所述待测基底时，所述推拉力传感器所采集的粘附力，以及所需时间；剔除所采集的多个粘附力中偏差较大的粘附力所对应的加载速度，并从剩余的粘附力中，选择所需时间最小的一个粘附力所对应的加载速度作为最佳加载速度。

在本发明的一些实施例中，所述预设的排布方式包括：多个所述结冰模具分别沿所述X轴和所述Y轴以阵列的形式排布在所述待测基底上，所述阵列包括至少两行，其中至少一行被划分为所述预演批，其它行被划分为所述测试批。通过沿X轴和Y轴以阵列的形式排布，是为了便于记录每个结冰模具/结冰样品的具体位置（例如坐标），从而使得上位机可根据当前所要测量的结冰样品的具体位置，以及静态加载模块中X轴、Y轴移动平台的当前位置，自动控制两个移动平台移动到相应的位置（当然，实际操作中还可进行微调或者收到调整移动平台），使得可直接将连接线连接在弹性缓冲元件，例如弹簧的一端即可开始进行测量，一定程度上提高了试验效率。当然，在其他实施例中，也可以是至少一列被划分为预演批，优选地，靠近静态加载模块的至少一列，从而避免预演批对后续测试批造成干扰。

在本发明的一些实施例中，试验过程中持续向所述隔热箱内充入惰性气体直至试验结束。由于试验过程中，惰性气体从气体入口充入，同时也有少量从气体出口涌出，因此，为了与隔热箱协同作用一起实现一个稳定的温度环境，避免结冰样品融化，提高可重复性，该惰性气体在整个试验过程中都持续充入，从而隔绝结冰样品与隔热箱内空气，进而降低热交换。

在本发明的一些实施例中，所述弹性缓冲元件为弹簧。优选地，所述弹簧的最大拉力大于所述推拉力传感器的最大量程。

在本发明的一些实施例中，所述的一种可重复精确测量冰粘附力的方法，还包括步骤：预先在每个所述结冰模具的线槽上设置一根所述连接线；每次进行力的静态加载之前，将所述连接线与设置在所述静态力加载装置上的所述弹簧相连。

本发明中，通过预先在每个结冰模具上设置一根连接线，且连接线的连接端从隔热箱靠近静态加载模块的一侧穿出，从而使得当每次进行力的静态加载之前（也即每次测量一个结冰样品之前），即可将该连接线直接连接至弹性缓冲元件（例如弹性）上即可，从而无需开盖即可将每个结冰样品的连接线与静态加载模块相连，不仅进一步保证了稳定的温度环境，同时，也提高了效率。

在本发明的一些实施例中，所述结冰模具呈圆柱状或长方体状。

有益技术效果：

现有技术，通常需要将整个试验装置放置到一个复制且大型的低温环境，例如，一个低温房间，或者一个大型的恒温装置中，这不仅使得试验成本增加，也影响测力传感器等电子设备的性能。本发明通过一个制冷装置来提供结冰环境，并通过隔热箱来隔绝外界温度，同时充入惰性气体使得待测基底和结冰样品能够在较长一段时间内处于一个稳定的试验环境，并且由于隔热箱等仅仅只盖在待测基底上盖住多个结冰样品，无需将整个装置整体盖住，避免了对测力传感器等电子设备的影响，保证了测量的精确度。

现有技术中，试验中通过钢丝或绳索套在结冰模具上，然后静态加载力来拉动结冰样品推力待测基底，然而，无论是钢丝还是绳索，其绷直的一瞬间，相对来说，对结冰样品都有一定的拉力影响，因此，最大限度地降低这一影响，就需要最大限度地降低加载速度，但这种方式，对于一次试验中对多个结冰样品进行测量时，就会大大增加整个试验周期，也即试验效率降低；并且，一旦试验周期拉长，为了保证多个结冰样品的试验环境一致，就需要将整个装置长时间放置到一个复杂且大型的恒温装置中，这不仅大大增加了试验成本，并且，试验中的传感器等电子设备较长时间处于低温环境中，其工作性能将大大收到影响，从而影响粘附力测量的精确度。

本发明中，一方面，通过在连接线与推拉力传感器之间设置弹性缓冲元件（例如，弹簧），从而使得当Y轴移动平台沿X轴方向移动时，通过弹性缓冲元件慢慢加载作用力，避免通过刚性连接导致一旦移动就会使得结冰样品产生一个较大的拉力而影响测量精度，或者，连接线绷直瞬间时产生较大的拉力而影响测量精度，并且，相对来说，由于设置了弹性缓冲元件，在满足静态加载的前提下，相较于未设置弹性缓冲元件的连接方式，其加载速度可适当增大，从而降低每个结冰样品测量所需时间；另一方面，通过设置隔热箱来隔热外界温度，使得待测基底和结冰样品与外界温度隔绝，同时，持续地向隔热箱中充入惰性气体，以将待测基底和结冰样品与空气隔绝，从而一定程度地降低其与隔热箱内的空气之间热交换，也即双重保障了多个结冰样品试验的环境温度保持一致或大致相同，不仅提高了粘附力的测量精确度和可重复性，并且，能够进行多个结冰样品的测量，或者较长时间的试验，也不会对测量粘附力的传感器等电子设备造成影响。

由于设置了弹性缓冲元件，可知若简单粗暴地提高加载速度来降低试验周期，这并不是明智的，并且不同待测基底与结冰样品之间的粘附力不同，而不同加载速度，在该弹性缓冲元件的作用下，也会影响粘附力的测量精度。本发明中，在上述温度维持模块的保障下，通过设置预演批和测试批，通过预演批为每种待测基底匹配到与弹性缓冲元件联合作用的最佳加载速度，然后通过该最佳加载速度对测试批的多个结冰样品进行测试，从而一定程度地提高粘附力的测量精度。

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一简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一示例性实施例的一种可重复精确测量冰粘附力的装置的结构示意图；

图2为图1所示的一种可重复精确测量冰粘附力的装置中的静态加载模块的结构示意图；

图3为图1所示的一种可重复精确测量冰粘附力的装置中温度维持模块的结构示意图；

图4为图1所示的一种可重复精确测量冰粘附力的装置中半导体制冷装置中温控模块的原理图；

图5为本发明一示例性实施例的一种可重复精确测量冰粘附力的方法的流程图。

附图标记：1推拉力传感器；2弹簧；3直线模组I；4直线模组II；5上位机；6结冰模具；7待测基底；8隔热箱；9半导体制装置；201数据采集模块；202伺服电机II；203连接线；205伺服电机I；206伺服电机驱动器；301气体入口；306气体出口；302冷媒入口；303直流电接口I；304直流电接口II；305冷媒出口；

S1为PWM温度控制器；S2为H电桥；S3为温度传感器；W1为电脑通信接口；W2为中间控制电路；W3为直流电输入；W4为直流电输出。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

本文中，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”、“后”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文中“和/或”包括任何和所有一个或多个列出的相关项的组合。

本文中“多个”意指两个或两个以上，即其包含两个、三个、四个、五个等。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

如在本说明书中使用的，术语“大约”，典型地表示为所述值的+/-5%，更典型的是所述值的+/-4%，更典型的是所述值的+/-3 %，更典型的是所述值的+/-2 %，甚至更典型的是所述值的+/-1 %，甚至更典型的是所述值的+/-0.5%。

在本说明书中，某些实施方式可能以一种处于某个范围的格式公开。应该理解，这种“处于某个范围”的描述仅仅是为了方便和简洁，且不应该被解释为对所公开范围的僵化限制。因此，范围的描述应该被认为是已经具体地公开了所有可能的子范围以及在此范围内的独立数字值。例如，范围1〜6的描述应该被看作已经具体地公开了子范围如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及此范围内的单独数字，例如1，2，3，4，5和6。无论该范围的广度如何，均适用以上规则。

实施例一

参见图1，本发明提供了一种可重复精确测量冰粘附力的装置，其包括：上位机5，多个结冰模具6，以及与上位机5相连的静态加载模块，设置在静态加载模块上的粘附力测量元件，以及设置在静态加载模块一侧的温度维持模块。

在一些实施例中，该粘附力测量元件为推拉力传感器1，而力的静态加载模块包括：用于沿Y轴带动推拉力传感器1移动的Y轴移动平台，用于带动Y轴移动平台沿X轴移动的X轴移动平台；用于分别驱动Y轴移动平台和X轴移动平台的驱动器；驱动器与上位机相连。

在一些实施例中，该推拉力传感器1上还设置有弹性缓冲元件，例如弹簧2；而该X、Y轴移动平台分别采用直线模组I3、直线模组II4，相应地，该驱动器包括驱动直线模组II4在直线模组I3的滑台上沿X轴移动的伺服电机I205，驱动直线模组II4带动推拉力传感器1沿Y轴移动的伺服电机II202，以及控制该私服电机I、II的伺服电机驱动器206，其与上位机5电连接，也即由上位机控制该静态加载模块，参见图2。

参见图2，具体实施时，推拉力传感器1通过螺丝固定在直线模组II4的滑台上，推拉力传感器1连接弹簧2，并通过连接线203对结冰样品施加力载荷；同时，该推拉力传感器1通过数据采集模块201连接至上位机5，即通过数据采集模块201采集推拉力传感器1所测得的数据，并反馈至上位机5，以进行数据记录与存储，以及数据分析处理等。

也即，通过直线模组I、II的移动来实现力的静态加载：伺服电机II202（即Y轴驱动器）驱动直线模组II4的滑台移动，从而带动推拉力传感器1实现其在直线模组II上沿Y轴移动；直线模组II4的一端安装在直线模组I3的滑台上，伺服电机I205（即X轴驱动器）驱动直线模组I3的滑台移动，从而带动直线模组II4，以及安装在直线模组II4上推拉力传感器1等沿X轴移动，进而可在实验过程中，与待测基底7上不同位置的结冰样品进行对位（例如，预先在上位机5中输入每个结冰模具的排布位置，然后由上位机5来控制沿X轴和Y轴移动的距离，从而实现对位）或力的静态加载，并实现连续测量不同位置的结冰样品与待测基底7之间的粘附力。而伺服电机II202和伺服电机I205由伺服电机驱动器206控制转速，同时伺服电机驱动器206连接到上位机5，即通过上位机5可控制推拉力传感器1的移动方向和移动速度。

例如，通过上位机5的控制，使得推拉力传感器（探头）移动到指定位置（对应于某个结冰样品），将弹簧2与套设在某结冰模具6上的连接线203连接，然后通过微调（可手动或上位机控制）使得推拉力传感器1的测力方向为结冰样品与待测基底的剪切力方向（或两个方向同轴）；再通过上位机5控制静态加载模块，使得推拉力传感器1缓慢移动以实现力的静态加载（或准静态加载），同时数据采集模块201记录数据并在上位机5上实时存储，而当结冰样品与待测基底7脱落时，推拉力传感器1记录的最大数值即为结冰样品与待测基底7之间的粘附力。

在一些实施例中，要实现力的静态加载，需要直线模组I3的移动速度很低。例如， 可通过在伺服电机和减速机来实现极低的移动速度，直线模组I中滑台的移动速度为：

；

其中n为伺服电机的转速，单位r/min，s为直线模组I中丝杠的导程，单位mm。直线模组I通过安装1:50或1:100的减速机以实现静态力的加载。以电机转速为1200r/min，减速机的减速比为1:100，丝杠导程为2mm为例，可实现滑台移动速度为0.4mm/s；当然，还可根据实际需要设置为更低以获得更低的移动速度。

在一些实施例中，可预先在上位机中输入目标移动速度，以及直线模组I、II相应的参数（包括上述的减速机比、丝杠导程等），测量过程中，即可由上位机发送相应的控制指令来控制电机转速，从而控制移动速度。当然，也可直接在上位机中输入上述参数：电机转速、减速机的减速比，丝杠导程，从而使得上位机直接根据该参数计算得到移动速度，并将输入的电机转速发送给伺服电机，以控制电机转速。

在一些实施例中，温度维持模块包括：隔热箱8、半导体制冷装置9，向半导体制冷装置循环输入冷媒的冷媒供给装置（图中未示出）；向隔热箱8内持续充入惰性气体的供气装置（图中未示出）。

参见图1和图3，在一些实施例中，隔热箱8的大小刚好能够盖住该半导体制冷装置9和结冰模具6即可，且其远离静态加载模块的一侧开设有气体入口301，其对立的另一侧，即靠近静态加载模块的一侧，开设有气体出口306。试验之前，每个结冰模具6上设置一根连接线203，而连接线203的连接端则从上述气体出口306伸出（更进一步地，该气体出口上还设置有用于放置连接线的至少两个缺口），使得当每完成一个结冰样品测量时，可直接从该气体出口处选择一个连接线直接连接至弹簧，然后进行相应的试验。当然，每个连接线上可预先编号。

当该隔热箱8盖在半导体制冷装置9和待测基底7时，通过供气装置由该气体入口301持续向隔热箱8内充入惰性气体，以隔绝该结冰样品与空气，从而降低热交换，进而与隔热箱8、制冷装置9一起维持一个恒定温度的试验环境。

在一些实施例中，上述半导体制冷装置9内设冷媒循环通道，冷媒可通过循环通道的冷媒入口302和冷媒出口305进行循环，从而半导体制装置9产生的热量由冷媒循环带走。具体地，半导体制冷装置9通过冷媒入口302和冷媒出口305循环外接冷媒供给装置，如冷媒存储箱和输送泵。当该半导体制冷装置9通过直流电接口I303、直流电接口II304接入直流电源后，可通过连接温控模块可改变直流电大小，从而精确控制待测基底7的表面温度。

参见图4，该温控模块可采用现有技术，下面对其工作原理简单介绍：PWM温度控制器S1通过电脑通信接口W1连接到上位机5，同时其输出端通过中间控制电路连接到H电桥S2，H电桥S2的输入和输出均为直流电，H电桥的直流电输出W4连接到半导体制冷装置9上的直流电接口I303和直流电接口II304。S3为温度传感器，其安装在待测基底7的表面。通过上位机5设定待测基底7表面的目标温度，温度传感器S3采集到当前待测基底的实时温度，目标温度与实时温度均传输给PWM温度控制器S1，通过脉冲信号调制，PWM温度控制器S1通过中间控制电路W2输出脉冲调制信号，以控制H电桥的直流电输出W4的输出功率，直流电输出W4与半导体制装置9连接，其输出功率的大小直接决定待测基底7表面的温度。当然，在另一些实施例中，该温控模块也可采用PID调节的方式，其工作原理为现有技术，这里不再赘述。

在一些实施例中，温度精确闭环控制包括两部分：1、PWM温度控制器S1的输出脉冲信号包括占空比和输出频率，频率通常选取为1kHz，占空比为1%～99%，通过调节占空比改变H电桥S2中直流电输出W4的功率，实现待测基底温度接近设定温度。2、待测基底7表面的实时温度通过温度传感器S3输入到PWM温度控制器中，温度控制器通过对比目标温度与实时温度，实时在原有输出信号上增加一个偏置，目标温度大于实时温度时，偏置为正，反之为负，偏置值的大小与温度差呈正相关。

在一些实施例中，结冰样品是指在结冰模具6中液体结冰后形成的冰柱。

在一些实施例中，该结冰模具6呈圆柱状或长方体状，且其靠近待测基底的一端设置有可用于放置连接线203的线槽。具体试验时，预先在每个结冰模具6的线槽中放置好一根连接线203，并从上述隔热箱8上的气体出口306穿出，当每测完一个结冰样品，就将下一个结冰模具6上的连接线203与弹簧2连接。

下面结合工作原理进行详细描述：

提前将液体循环打开，半导体制装置9通电，待测基底7上的温度达到设定温度并稳定后，将冷媒，例如纯净水，依次滴入到结冰模具6中（多个相同的结冰模具用于同一批次测量），盖上上述隔热箱8，同时将惰性气体，例如氦气或者氮气，从气体入口301通入隔热箱8内，待一段时候后（30分钟-2小时）结冰完成。

结冰完成后，通过上位机控制X轴和Y轴移动平台移动，从而将推拉力传感器1移动到指定位置，然后将相应结冰样品的连接线203与弹簧2连接，再通过控制Y轴移动平台以极低速度沿X轴移动实现力的静态加载，上位机5通过数据采集模块201采集推拉力传感器1所测得的数据，直到结冰样品与待测基底7表面脱落，此时推拉力传感器1记录的最大数值即为结冰样品与待测基底7表面的粘附力。

具体实施时，上位机5根据预先放置的各个结冰模具的位置，通过伺服电机驱动器206控制直线模组I、II的滑台移动，从而带动推拉力传感器1移动到相应结冰样品对应的位置，使得推拉力传感器1的测力的方向为结冰样品与待测基底7的剪切力方向；然后将结冰模具6上的连接线203连接至推拉力传感器1前端的弹簧2上（当然，还可通过微调使得推拉力传感器1的测力方向为结冰样品与待测基底7的剪切力方向，也即两个方向同轴）；上位机5控制通过伺服电机驱动器206控制直线模组I3的滑台移动，从而带动直线模组II4沿X轴方向移动，使得推拉力传感器1缓慢移动以实现力的静态加载，同时数据采集模块记录数据反馈至上位机以实时存储，待结冰样品与待测基底脱落，此时推拉力传感器记录的最大数值即为该结冰样品与待测基底之间的粘附力。

实施例2

基于上述的一种可重复精确测量冰粘附力的装置，本发明还提供了一种可重复精确测量冰粘附力的测量方法，下面结合具体实施例和附图进行说明。

参见图5，本实施例该可重复精确测量冰粘附力的测量方法包括步骤：

S11，将温度维持模块中的半导体制冷装置接入电源，并循环输入冷媒，使得位于该半导体制冷装置上的待测基底的温度达到预设的目标温度。

参见图3，在一些实施例中，在制作结冰样品之前，首先将冷媒循环管道连接至该半导体制冷装置的冷媒入口302和冷媒出口305，并排出该冷媒循环管道和半导体制冷装置内循环通道中的空气，然后通过泵驱动冷媒流经进行循环；同时，将直流电源连接至该半导体制冷装置的直流电接口I303、直流电接口II304，并由该半导体制冷装置内置的温度控制电路使得待测基底7表面温度达到预设的目标温度。

S12，将液体依次装入待测基底上的，预先按照预设的排布方式划分为预演批和测试批的多个结冰模具中。

在一些实施例中，当步骤S11中，当半导体制冷装置使得待测基底表面的温度达到设定的目标温度（具体地，通过温控模块中，且设置在该待测基底上温度传感器来采集待测基底7表面的温度）时，将液体，例如纯净水，依次滴入到结冰模具6中。

在一些实施例中，多个结冰模具分别沿X轴和Y轴以阵列的形式排布在待测基底上，该阵列包括至少两行，其中至少一行被划分为预演批，其它行被划分为测试批。例如，参见图3，在待测基底上设置两行结冰模具，其中，一行为预演批，另一行为测试批，每一行的结冰模具数量为6个。当然，在另一些实施例中，预演批的结冰模具数量大于或小于测试批中结冰模具的个数也是可以理解的。

S13，将隔热箱盖在制冷装置和待测基底上，并持续向隔热箱内冲入惰性气体，以等待液体结冰。

在一些实施例中，当步骤S12中将液体滴入到各个结冰模具6后，立即将该制冷装置和待测基底7盖上隔热箱8，并将氦气或者氮气等惰性气体通过气体入口301通入到隔热箱8内，待一段时间后结冰完成。

由于该隔热箱只需要盖住该半导体制冷装置和待测基底即可，无需使得整个测量装置都放置在较低的环境下，不仅提供了结构简单的温度维持系统，也不会影响粘附力测量装置，如测力传感器，以及驱动器等电子设备的性能。

通过不断地向隔热箱内冲入惰性气体，进一步隔绝了结冰样品与空气，从而降低了热交换，进一步保证了即使进行多次试验，也能够保持稳定的环境温度，大大提高了试验的可重复性。

S14，当完成结冰时，得到预演批的多个结冰样品和测试批的多个结冰样品。

S15，针对预演批中的每个结冰样品，力的静态加载模块分别以不同的加载速度

（

,

为预演批中结冰样品的个数）进行力的静态加载，以使得预演批中的多个 结冰样品脱离待测基底，并根据预演批中所有结冰样品脱离时的粘附力

（

,

为预演批中结冰样品的个数）和所需时间

确定最佳加载速度

。

在一些实施例中，上述各个加载速度

逐渐增大，或者逐渐减小， 增大或减小的差值可根据实际需要进行设定。例如，减速机的减速比为1:100，丝杠导程为 2mm，通过调整电机的转速来实现不同加载速度：转速为1400r/min时，加载速度为0.47mm/ s；转速为1200r/min时，加载速度为0.4mm/s；转速为1000r/min时，加载速度为0.33mm/s； 800r/min时，加载速度为0.27mm/s···

在一些实施例中，该步骤S15具体包括：获取预演批中每个结冰样品脱离待测基底 7时，推拉力传感器1所采集到的粘附力

，以及所需时间

，并从中剔除所采集的多个粘附力中偏差较大的粘附力所对应的加 载速度，并从剩余的粘附力中，选择所需时间最小的一个粘附力所对应的加载速度作为最 佳加载速度。

由于是同一待测基底上，相同液体在相同的结冰模具中形成的多个结冰样品，因此，若加载速度、弹性缓冲元件、待测基底三者相匹配，则采用不同的加载速度进行力的静态加载时，该结冰样品与待测基底之间的粘附力之间也不会相差太大（例如，各粘附力之间的差值相同或者大小相差不大），但在实际操作过程中，并不是每个加载速度都是合理的，或者，由于操作失误、设备误差等影响，从而导致相应加载速度下测得的粘附力与其他粘附力之间的偏差较大，也即该粘附力为预演批测量中所有粘附力中的最大粘附力（例如，当以所有粘附力绘制折线图时，该折线图中最高点），故而将这种加速度剔除，从剩余的大小相差不大的各粘附力对应的加载速度中，选取测量所需时间最小的一个加速度，也即通过在试验周期与精确度之间取一个平衡，再保证精确度的前提下，尽量地缩短整个试验周期。

S16，力的静态加载模块以最佳加载速度

进行力的静态加载，使得测试批中的多 个结冰样品脱离待测基底。

S17，获取推拉力传感器所采集到的各粘附力

（

,

为测试批中结冰样 品的个数），并计算平均值

，作为结冰样品与待测基底表面的待测粘附力。

在一些实施例中，

为测试批的

个结冰样品中第

个结冰样品脱离待测基底时的 粘附力；相应地，

。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种可重复精确测量冰粘附力的方法，其特征在于，所述方法基于一种可重复精确测量冰粘附力的装置，所述装置包括：用于实现力的静态加载的静态加载模块，设置在所述静态加载模块一侧的温度维持模块，安装在所述静态加载装置上的推拉力传感器，所述推拉力传感器上设置有弹性缓冲元件，其中，所述静态加载装置带动所述推拉力传感器沿X轴和Y轴方向移动，并通过与所述弹性缓冲单元相连的连接线拉动结冰样品，使其从待测基底上脱离；相应地，所述一种可重复精确测量冰粘附力的方法包括步骤：

将所述温度维持模块中半导体制冷装置接入电源，并向所述半导体制冷装置内的循环通道内循环输入冷媒，使得位于所述半导体制冷装置上的所述待测基底的温度达到预设的目标温度；

将结冰用液体依次装入预先放置在所述待测基底上的多个结冰模具中；所述多个结冰模具按照预设的排布方式划分为预演批和测试批；

将所述温度维持模块中的隔热箱盖在所述半导体制冷装置和所述待测基底上，并持续向所述隔热箱内充入惰性气体，以等待所述液体结冰；

当完成结冰时，得到所述预演批的多个结冰样品和所述测试批的多个结冰样品；

针对所述预演批中的每个所述结冰样品，所述静态加载装置分别以不同的加载速度进行力的静态加载，以使得所述预演批中的多个结冰样品脱离所述待测基底，并根据所述预演批中所有所述结冰样品脱离时的粘附力和所需时间确定最佳加载速度；

所述静态加载装置以所述最佳加载速度进行力的静态加载，使得所述测试批中的多个结冰样品脱离所述待测基底；

获取所述推拉力传感器所采集到的所述测试批中各个所述结冰样品脱离所述待测基底时的粘附力，并计算平均值，得到所述结冰样品与所述待测基底表面的待测粘附力。

2.根据权利要求1所述的一种可重复精确测量冰粘附力的方法，其特征在于，根据所述预演批中所有所述结冰样品脱离是的粘附力和所需时间确定所述最佳加载速度的步骤，具体包括：

获取所述预演批中每个所述结冰样品脱离所述待测基底时，所述推拉力传感器所采集的粘附力，以及所需时间；

剔除所采集的多个粘附力中的最大粘附力所对应的加载速度，并从剩余的粘附力中，选择所需时间最小的一个粘附力所对应的加载速度作为所述最佳加载速度。

3.根据权利要求2所述的一种可重复精确测量冰粘附力的方法，其特征在于，所述预设的排布方式包括：多个所述结冰模具分别沿所述X轴和所述Y轴以阵列的形式排布在所述待测基底上，所述阵列包括至少两行，其中至少一行或至少一列被划分为所述预演批，其它行或其他列被划分为所述测试批。

4.根据权利要求1至3中任一所述的一种可重复精确测量冰粘附力的方法，其特征在于，测量过程中持续向所述隔热箱内充入惰性气体直至试验结束。

5.根据权利要求1所述的一种可重复精确测量冰粘附力的方法，其特征在于，所述弹性缓冲元件为弹簧。

6.根据权利要求5所述的一种可重复精确测量冰粘附力的方法，其特征在于，所述弹簧的最大拉力大于所述推拉力传感器的最大量程。

7.根据权利要求5所述的一种可重复精确测量冰粘附力的方法，其特征在于，还包括步骤：

预先在每个所述结冰模具的线槽上设置一根所述连接线，相应地，

当盖上所述隔热箱后，将每根所述连接线的连接端自所述隔热箱靠近所述静态加载模块的一侧穿出；

每次进行力的静态加载之前，将所述连接线与所述弹簧相连。

8.根据权利要求1所述的一种可重复精确测量冰粘附力的方法，其特征在于，所述结冰模具呈圆柱状或长方体状。

9.一种可重复精确测量冰粘附力的装置，其特征在于，包括：上位机，多个结冰模具与所述上位机相连的静态加载模块，设置在该静态加载模块上的推拉力传感器，以及温度维持模块；其中，

所述温度维持模块包括：

用于为位于待测基底上的多个结冰模具中的液体提供结冰环境的半导体制冷装置；

用于向所述半导体制冷装置循环输入冷媒的冷媒供给装置；

用于盖在所述半导体制冷装置和所述待测基底上，以隔绝外界温度的隔热箱；

用于向所述隔热箱充入惰性气体，以降低热交换的供气装置；

所述静态加载模块包括：

用于沿Y轴带动所述推拉力传感器移动的Y轴移动平台；

用于沿X轴带动所述Y轴移动平台移动的X轴移动平台；

用于分别驱动所述Y轴移动平台和所述X轴移动平台的驱动器；所述驱动器与所述上位机相连。

10.根据权利要求9所述的一种可重复精确测量冰粘附力的装置，其特征在于，所述推拉力传感器上设置有弹性缓冲元件。

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