CN116713165B - 应用于表面的超疏水方法及采用该方法的壳体及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于表面的超疏水方法及采用该方法的壳体及装置，属于超声波传感器领域。本发明的方法在表面上喷涂超疏水材料，喷涂密度由内向外逐渐降低，以利于水更容易从中间区域向外扩散起到疏水效果。该壳体包括由立柱相连接的上壳及下壳，所述上壳与所述下壳之间形成空腔。该装置在壳体上方设置顶盖，所述上壳内设置换能器模块。本发明提出了采用坡度设计，分圈层喷涂超疏水涂层的方式，解决了传感器表面有水凝结或聚集的问题，提高了风传感器的环境适应性。

Description

应用于表面的超疏水方法及采用该方法的壳体及装置

技术领域

本发明属于超声波传感器技术领域，涉及一种应用于表面的超疏水方法及采用该方法的壳体及装置。

背景技术

在风电的实际应用中，大部分采用超声的方式进行风速风向的测量。采用的超声波风速风向传感器是利用发送声波脉冲，测量接收端的时间或频率(多普勒变换)差别来计算风速和风向的风速风向。但是由于在自然环境下，经常遭遇下雨、下雪、凝露等自然环境，在超声波风速风向传感器表面会有水凝结或聚集，超声波信号经过水的吸收和反弹，会产生波形的畸变，导致超声波风速风向传感器无法正常工作。目前有采用表面结构设计的方式来实现表面疏水的处理，但效果差，水在表面易粘接形成大水滴。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于表面的超疏水方法及采用该方法的壳体及装置。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用于表面的超疏水方法，在表面上喷涂超疏水材料，喷涂密度由内向外逐渐降低，以利于水更容易从中间区域向外扩散起到疏水效果。

可选的，在表面外缘处布置亲水涂层，并在外缘处设置向下斜面，以利于水被亲水涂层吸附后沿斜面排出。

可选的，所述疏水材料采用疏水纳米颗粒和聚四氟乙烯分散液混合而成。

可选的，按照体积份数比，取60～100份质量分数为5％～15％的疏水纳米颗粒分散液、20～30份质量分数为1％～10％的聚四氟乙烯分散液、0～30份溶剂混合，并分散获得混合液。

可选的，外缘处设置向下斜面的坡度为10°。

一种用于安装超声波风速风向传感器的壳体，包括由立柱相连接的上壳及下壳，所述上壳与所述下壳之间形成空腔；所述下壳朝向空腔的一侧为应用于表面的超疏水方法的表面。

可选的，所述下壳朝向空腔的一侧的表面由内至外依次包括反射面及坡面，所述反射面及坡面均由内之外向下延伸；所述反射面的坡度小于所述坡面的坡度。

可选的，所述反射面的坡度为3°，所述坡面的坡度为10°。

一种超声波风速风向传感装置，包括壳体，所述壳体上方设置顶盖，所述上壳内设置换能器模块，所述换能器模块朝向所述空腔的一侧为应用于表面的超疏水方法的表面。

可选的，所述换能器模块包括换能器驱动电路、换能器座、以及设置在所述换能器座内的3个换能器，所述换能器的圆心相连构成等边三角形；所述换能器模块朝向所述空腔的一侧为用于粘接换能器的薄膜。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了采用坡度设计，分圈层喷涂超疏水涂层的方式，解决了传感器表面有水凝结或聚集的问题，提高了风传感器的环境适应性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为表面超疏水层的材料喷涂示意图；

图2为带有顶盖的壳体的结构示意图；

图3为不带有顶盖的壳体结构示意图；

图4为表面超疏水层结构示意图；

图5为图4的A区放大图；

图6为表面超疏水层的位置示意图；

图7为超声波风速风向传感装置的整体结构爆炸图；

图8为换能器的分布示意图；

图9为带有超疏水及不带超疏水的试验结果图。

标记名称：

壳体1、上壳11、下壳12、空腔13、立柱14、表面超疏水层15、反射面151、坡面152、疏水涂层153、亲水涂层154、顶盖2、换能模块3、换能器驱动电路31、换能器32、换能器座33、信号处理电路5、固定座6。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了保证超声波风速风向传感器能够持续的正常工作，本发明提出一种应用于表面的超疏水方法及采用该方法的壳体1及装置。

经研究发现，当下雨、下雪、结霜的时候，超声表面上有水聚集，如果有表面超疏水层15，超声表面上的水将不能在表面停留，会迅速滑落；如果不存在表面超疏水层15，超声表面上的水将会在表面聚集，导致超声波风速风向传感器不能正常工作。

本发明提出：

在壳体1的设计上，在空腔13下方的下壳12上设计了内扣式的表面超疏水层1515，如图4所示，该面的结构高度在6.5mm-10mm之间，可以有效防止各类大直径物质进入空腔13；在下雨时，水进入空腔13的主要方式也保证为溅射进入，壳体1使用铝材加工而成，壳体1外表面涂覆相应的特氟龙材料，当水打在表面时，可以实现初步疏水的效果，避免表面水累积附着过多而进入空腔13内。

本发明所展示的超声波风速风向传感装置结构如图7所示，其具体包括壳体1，壳体1结构如图2、图3、图6所示，所述壳体1包括上壳11、下壳12、以及用于连接上壳11及下壳12的立柱14，所述上壳11的上方盖合有顶盖2，所述上壳11内部设置换能模块3，所述换能模块3包括换能器座33，设置在换能器座33内的换能器32以及设置在换能器座33上方的换能器驱动电路31，所述下壳12内设置有信号处理电路5，所述下壳12的下方设置固定座6。

采用高温薄膜作为粘接换能器32的材料，将换能器32固定在特定位置，即三个换能器32组成的圆的中心连接，构成等边三角形，如图8所示，三个换能器32外边缘与50mm的圆圈内切，高温薄膜厚度约为1mm，在该薄膜表面喷涂超疏水材料，疏水材料厚度喷涂0.5mm。换能器32固定在形成等边三角形的三个位置，均匀分布；上表面采用聚酰亚胺的高温薄膜材料，保证在任何环境下都性能稳定，更加适合和表面超疏水相结合

空腔13的厚度为6.5mm-10mm之间，用来传导超声波，该空间由于是开放的，在下雨环境下由于雨水的进入和趋肤效应，导致该空腔13内积累大量的水，影响超声的传播，导致测量不准确，因此需要在高温薄膜层的下方(上表面)以及表面超疏水层15(下表面)的上方进行超疏水的处理，使空腔13内完全不积水。

在具体实施过程中，采用6立柱14结构，因此在喷涂过程中，将待喷涂的表面进行六等分，如图1所示，用以匹配整体结构，喷涂超疏水从中间开始喷涂，中间喷涂更多的超疏水涂层153，往外逐渐喷更少的超疏水涂层153，有利用水更容易从中间区域往四周扩散，在外环的坡面152处采用亲水涂层154，水一旦流动到外环的坡面152接触，迅速将水吸收附着，外环的坡面152采用陡峭的斜面设计，如图4、图5所示，水被吸附后，迅速被排走，从而保证了若空腔13内有水则可以迅速的排出，保证了传感器正常工作。

采用铝材，厚度为3mm，将超疏水材料喷涂在该表面上，形成表面超疏水层15，表面超疏水层15采用疏水纳米颗粒和聚四氟乙烯分散液混合而成，疏水纳米颗粒采用合肥缔邦纳米科技的疏水纳米颗粒，聚四氟乙烯分散液采用上海仁诺的PTFE JF-4DCD水性浓缩分散液，按照体积份数比，取60～100份质量分数为5％～15％的疏水纳米颗粒分散液、20～30份质量分数为1％～10％的聚四氟乙烯分散液、0～30份溶剂混合，并超声分散，从而获得混合液。由于需要高温烘烤进行固化，经过实验，3mm铝板在加热过程中导热和散热性能最佳，故选择3mm铝板作为表面超疏水层15的载体。同时，表面超疏水层1515采用斜面性设计，由于超声发射接收的问题，在反射面151需要平缓确保超声接收不畸变，这里设计为3°；在坡面152坡度可以大有利于水的滑落，这里设计为10°；由于水是溅射进入到空腔13内，大部分落会在斜度为10°的坡面152滑落，少部分会进入斜度为3°的反射面151，在超疏水的作用下，水珠会迅速滑落，如图1所示，结合等分的六分区结构，将壳体1设计为6等分体，立柱14宽度1mm，中间作为风流动的通道。

壳体1的功能实现方式如下：在加工完成铝壳后，将壳体1的空腔13两侧的表面均采用胶带遮盖，在壳体1外表面涂覆厚度为1mm的特氟龙材料，晾干；

将表面超疏水层15上对应坡面152部分的胶带取走，将喷涂有特氟龙的表面和表面超疏水层15上对应反射面151的部分用胶带进行遮盖，在坡面152喷涂亲水材料，烘干；

将表面超疏水层15上对应反射面151的部分胶带取走，将喷涂有特氟龙的表面和表面超疏水层15上对应坡面152部分用胶带进行遮盖，采用口径为2mm的喷枪，对准反射面151的中心点，高度设置为12mm，进行超疏水喷涂，喷涂的效果满足中心超疏水厚，往外超疏水逐渐变薄的要求，烘干；

取下整体胶带，检查喷涂效果。

根据要求，做了相应的实验。

例1：

取100份(体积份数)质量分数为10％的疏水纳米颗粒分散液、20份质量分数为2％的聚四氟乙烯分散液以及20份的水混合后超声分散获得一混合液，其中，所述纳米颗粒的粒径约为200nm，所述聚四氟乙烯粒径约为190nm；按照操作过程进行执行，得到超疏水表面。

经过测试，所述超疏水棉布对水的接触角大于130°。对其表面喷水，水自然流走。

例2：

在下雨天进行测试，测试采用涂覆有超疏水的测风仪和没有超疏水的测风仪，涂覆有超疏水的测风仪腔内无积水，正常运行；未涂覆超疏水的测风仪腔内积水严重，不能正常运行。对比结果如图9所示。

例3：

在空腔13的下表面分别采用斜面性设计和平面性设计，斜面性设计为3°，在非反射面151坡度设计为10°，涂覆上疏水层；平面性设计则完全为平面，设计为0°，涂覆上同样的疏水层；经过测试，斜面性设计疏水效果优于平面性设计疏水效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于安装超声波风速风向传感器的壳体，其特征在于：包括由立柱相连接的上壳及下壳，所述上壳与所述下壳之间形成空腔；所述下壳朝向空腔的一侧为超疏水表面；

所述超疏水表面需在表面上喷涂超疏水材料，喷涂密度由内向外逐渐降低，以利于水更容易从中间区域向外扩散起到疏水效果；所述表面为平面，在表面外缘处布置亲水涂层，并在外缘处设置向下斜面，以利于水被亲水涂层吸附后沿斜面排出；

所述疏水材料采用疏水纳米颗粒和聚四氟乙烯分散液混合而成。

2.根据权利要求1所述的用于安装超声波风速风向传感器的壳体，其特征在于：所述下壳朝向空腔的一侧的表面由内至外依次包括反射面及坡面，所述反射面及坡面均由内之外向下延伸；所述反射面的坡度小于所述坡面的坡度。

3.根据权利要求2所述的用于安装超声波风速风向传感器的壳体，其特征在于：所述反射面的坡度为3°，所述坡面的坡度为10°。

4.根据权利要求1所述的用于安装超声波风速风向传感器的壳体，其特征在于：按照体积份数比，取60～100份质量分数为5％～15％的疏水纳米颗粒分散液、20～30份质量分数为1％～10％的聚四氟乙烯分散液、0～30份溶剂混合，并分散获得混合液。

5.一种超声波风速风向传感装置，其特征在于，包括根据权利要求1-4任一项中所述的壳体，所述壳体上方设置顶盖，所述上壳内设置换能器模块，所述换能器模块朝向所述空腔的一侧为超疏水表面；

所述超疏水表面需在表面上喷涂超疏水材料，喷涂密度由内向外逐渐降低，以利于水更容易从中间区域向外扩散起到疏水效果；所述表面为平面，在表面外缘处布置亲水涂层，并在外缘处设置向下斜面，以利于水被亲水涂层吸附后沿斜面排出；

所述疏水材料采用疏水纳米颗粒和聚四氟乙烯分散液混合而成。

6.根据权利要求5所述的超声波风速风向传感装置，其特征在于，所述换能器模块包括换能器驱动电路、换能器座、以及设置在所述换能器座内的3个换能器，所述换能器的圆心相连构成等边三角形；所述换能器模块朝向所述空腔的一侧为用于粘接换能器的薄膜。

7.根据权利要求5所述的超声波风速风向传感装置，其特征在于：按照体积份数比，取60～100份质量分数为5％～15％的疏水纳米颗粒分散液、20～30份质量分数为1％～10％的聚四氟乙烯分散液、0～30份溶剂混合，并分散获得混合液。