专利名称：基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料结冰状况下性能参数实时采集控制系统。具体涉及一种基于二级制冷方式材料样品结冰状况实时采集控制系统。
背景技术：
结冰风洞是飞行器结冰和防冰研究的主要地面试验设备。目前世界有代表性的结冰风洞有美国NASA的格林研究中心结冰研究风洞(IRT)、意大利航天研究中心结冰风洞、美国LeClerc结冰试验室的考克斯结冰风洞，这些均为大型结冰风洞。国内有YBF-05冰风洞、YBF-02仪表冰风洞等小型冰风洞。而针对新型材料在低温下的结冰状况的微型风洞装置国内尚无分析测试仪器设备。温湿度控制被用于工业、农业、军事、科研和日常生活的一切领域。随着科学技术的发展，对温湿度控制的要求不断地提高，特别是在航天、电子、化工、材料及生物工程等高端技术的科学实验领域中，温湿度控制已超出了常规要求。传统PID控制式不完全满足这些要求，�：刂�、神经网络等智能控制方法引入其中，使得能获得高的控制精度和控制品质。随着新型传感器技术的发展和电子技术的发展，对风速的控制和测量也达到新的高度，小型高精度、宽范围、宽工作环境的风速传感器也应运而生，大功率高转速电机和精细控制也成为现实。随着图像处理技术和CCD技术的发展，图像采集与处理技术也使得对细微图像可以快速分析和处理。嵌入式系统的发展及其PC技术的发展，基于PC机的大运算量处理也成为可能。在制冷装置方面，随着制造技术的发展，半导体制冷器件的制冷系数不断提高，在受控方面灵活精准，在小容量空间和小制冷量需求方面有着越来越多的应用。近几年来材料研究方面有关“飞行器表面超疏水处理及其抗覆冰行为”、“硅基超疏水表面微纳结构优化问题研究”、“各向异性超疏水表面的设计制备及其定向减阻性能研究”等，材料结冰状况的研究越来越成为研究的热点，但相应在温度、湿度、大气压力、风速、水滴加注等多方面可测可控的并能用于结冰材料样品的性能参数等测定装置在国内尚未见到。基于以上需求和条件，申请人研制发明了一种基于二级制冷方式温度、湿度、风速、水滴控制及材料样品结冰状况实时采集控制系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于二级制冷方式材料样品(小于2cmX2cm)结冰状况实时采集控制系统。通过提供可控或可测的温度、湿度、风速、水滴等条件的系统供研究材料结冰状况性能情况之用。本发明提供的材料样品实验环境为:温度疒一10摄氏度，风速0-20个等级，风速最大lm/s，加水滴0-10等级，0-20uL/s，湿度实时精度5%RH，安有自动控制旋转的样品平台，可实时采集样品状况最大4fps, 640X480, 800X600, 1024X768以及2592 X 1944四种采集分辨率图像。可根据需要生成相关实验时间的相应参量(温度、湿度、风速、结冰厚度变化等)曲线。
本发明的一种基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，包括水冷机、半导体制冷箱体、控制器、CMOS相机图像采集系统、PC机；水冷机进、出水管与半导体制冷箱体的出、进水管对应相连，半导体制冷箱体的环境温度、湿度、风速、大气压力传感器引线接控制器，控制器通过USB线与PC机通信，CMOS相机图像采集系统通过USB线与PC机通信。本发明的系统中，所述的水冷机采用工业级小型水冷机，功率1600W，温度控范围10-30摄氏度。本发明的系统中，所述的半导体制冷箱体为长方体，其正面由内层、隔热层和外层共三层组成:内层上安有两只LED灯及LED防水罩，贯通三层的石英玻璃观测窗；其背面由10层组成，最内层为两只大风扇(ScmXScm);并排放置组成；第二层为第I散热片；第三层为6片制冷片及隔热和固定用亚格力板及隔热棉；第四层为两片并排的第I水冷头，采用90度弯头互连用于对制冷片热端水冷散热；第五层为铝皮固定两片并排的第I水冷头；第六层为亚格力板；第三到六层间的空隙间填充有隔热棉；第七层为隔热棉，第八层为亚格力板，其上安有接线排座连接半导体引线及大、小风扇引线，接线排座上引线到对应电源；第九层为控制器安装层；第十层为背面最外层为亚格力板；箱体顶面为箱盖由3层组成，最上层是亚格力板，其上中间后部安有水泵并有水管通过中间前部孔洞穿过顶面给样品加水滴；最上层亚格力板左右安有手把；中间层为隔热棉，最内层为亚格力板；最上和最内层亚格力板间通过螺柱连接在一起；箱体底面由8层组成；底面上空间为样品平台，距样品平台下间隔IOmm有招皮作底面；再下间隔3mm为第二层安装有两只小风扇(4cmX 4cm);第三层安装有两只第2散热片；第四层为两片制冷片分别安装距样品平台左右各IOmm处，周围为亚格力板；第五层为两只第2水冷头，通过90度弯头和水管连接，此两只第2水冷头通过水管还与背面水冷管相连并最终通过水管与水冷机相连；此外通过铝片及亚格力板与第2散热片通过螺柱固定制冷片及第2水冷头；空隙处填充满隔热棉；第六层为隔热棉，第七层为亚格力板，有电机通过电机主轴与样品平台相连，控制样品平台正反转和360度旋转；第八层为底面底座由亚格力板组成；左、右面各由三层组成，左面内层是亚格力板有风速传感器插孔及风速传感器走线孔，右面内层是亚格力板有大气压力传感器安装孔及该传感器直线孔，左、右中间层为隔热棉，外层为亚格力板；半导体制冷箱体各面的各层均由螺柱相连，半导体制冷箱体同层各面之间采用嵌插式安装结构并加螺柱锁定。使得安装方便和紧密。本发明的系统中，所述的控制器，包括3个温度传感器，I个湿度传感器、I个大气压力传感器、I个风速传感器、两只大风扇、I个水泵(用于水滴加注)，电机、一个12V600W可控电压电源、两个12V10W可控电压电源，控制器STM32F107、TLC5615、320*240LCD、三只24伏温度变送器、5V-3.3V电平转换�？椤�3.3V-5V电平转换�？�、2.9V LED电源模块、5V电源�？樽槌桑簧鲜龈鞲龃衅饕呓涌刂破鱏TM32F107。本发明的系统中，所述的CMOS相机图像采集系统，包括两只高速风扇、相
机，0.3-1倍光学放大镜镜头和XYZR微调平台；所述的相机为CMOS工业相机，分辨率2592 X 1944，灰度256，拍照速度6fps ;所述的高速风扇功率为12V0.48A ;所述的相机安装在XYZR微调平台上；此平台可调范围0-20mm，精度0.02mm，两只高速风扇在半导体制冷箱体外对着石英玻璃观察窗口成45度角左右对称安放。高速风扇用于除雾。本发明的系统中，所述的PC机，采用奔腾双核以上CPU，500GB以上硬盘，2GB内存，具有USB2.0以上接口，19英寸以上IXD显示器。本发明的系统中，所述的石英玻璃观测窗，采用内插式长方体结构，石英玻璃插入其中。本发明的系统中，所述的制冷片选用C1206型。本发明的系统中，所述的电机选用42型步进电机。下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细说明。
图1是系统整体布局图2-1是箱体正面板内层结构示意图2-2是箱体正面板中间层结构示意图2-3是箱体正面板结构示意图3-1是箱体反面板内层结构示意图3-2是箱体反面板外层结构示意 图3-3是箱体反面板中间层俯视结构示意 图3-4是箱体反面板中间层左视结构示意图3-5是箱体反面板结构示意 图4是箱体上面板结构示意图5-1是箱体底面板内层结构示意图5-2是箱体底面板外层结构示意图5-3是箱体底面板中间层结构示意图5-4是箱体底面板结构示意 图6是箱体左面板结构示意 图7是箱体右面板结构示意 图8不同材料结冰对比实验 图9材料淋水滴结冰实验图中:1-LED防水罩，2-LED，3-正面板内层，4-石英玻璃观察窗，5-隔热棉，6-正面板外层，大风扇(8cmX8cm), 8-反面板内层,9-第I散热片(160mmX IOOmmX 25mm),10-反面板中间层，11-导水管，12-90°弯管接头，13-第I水冷头(120mmX80mmX 11mm)，14-制冷片，15-铝皮，16-背面板外层，17-温度传感器，18-水泵，19-手柄，20-上面板外层，21-上面板内层，22-样品平台，23-电机主轴，24-挡风铝片，25-小风扇(4cmX4cm), 26-第2散热片(60mmX45mmX 15mm), 27-底面板内层,28-第2水冷头(40mmX40mmX 11mm), 29-底面板中间层,30-底面板外层,31-风速传感器,32-湿度传感器，33-左面板内层，34-左面板外层，35-右面板内层，36-紧固螺丝，37-右面板外层，38-大气压力传感器，a-第133秒，b_第134秒，c_第196秒，d_第200秒，e_第203秒，f-第211秒，g-第225秒， h-第229秒，i_第235秒，j-第265秒。
具体实施例方式本发明的一种基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，如图1所示，该系统包括水冷机、半导体制冷箱体、控制器、CMOS相机图像采集系统、PC机；水冷机进、出水管与半导体制冷箱体的出、进水管对应相连，半导体制冷箱体的环境温度、湿度、风速、大气压力传感器引线接控制器，控制器通过USB线与PC机通信，CMOS相机图像采集系统通过USB线与PC机通信。其水冷机采用工业级小型水冷机，功率1600W，温度控范围10-30摄氏度。自制水位控制器，8_ 口径高级泵管及30_壁厚保温管，进出水管长度小于I米，每个接头处采用扎带进一步加固。所述的半导体制冷箱体设计为长方体(是由图2-1到图7各面板所组成的六面立方体箱体)，其正面由内层、隔热层和外层共三层组成:内层上安有两只LED灯2及LED防水罩1，贯通三层的石英玻璃观测窗；其背面由10层组成，最内层为两只大风扇(ScmXScm) 7并排放置组成；第二层为第I散热片(160mmX100mmX25mm)9 ;第三层为6片制冷片14及隔热和固定用亚格力板及隔热棉；第四层为两片并排的第I水冷头(120mmX80mmX llmm)13,采用90度弯头12互连用于对制冷片14热端水冷散热；第五层为铝皮15固定两片并排的第I水冷头13 ;第六层为亚格力板；第三到六层间的空隙间填充有隔热棉；第七层为30mm隔热棉，第八层为亚格力板，其上安有接线排座连接半导体引线及大、小风扇(4cmX4cm)25引线，接线排座上引线到对应电源；第九层为控制器安装层；第十层为背面最外层为亚格力板；箱体顶面为箱盖由3层组成，最上层是亚格力板，其上中间后部安有水泵18并有水管通过中间前部孔洞穿过顶面给样品加水滴；最上层亚格力板左右安有手把；中间层为隔热棉，最内层为亚格力板；最上和最内层亚格力板间通过螺柱连接在一起；箱体底面由8层组成；底面上空间(空间5cmX5cm)有样品平台22，距样品平台下间隔IOmm有铝皮作底面；再下间隔3mm为第二层安装有两只小风扇25 ;第三层安装有两只第2散热片26 ;第四层为两片制冷片(14)分别安装距样品平台左右各IOmm处，周围为亚格力板；第五层为两只第2水冷头(40mmX 40mmX IImm)28,通过90度弯头和水管连接,此两只第2水冷头通过水管还与背面水冷管相连并最终通过水管与水冷机相连；此外通过铝片及亚格力板与第2散热片(60mmX45mmX 15mm) 26通过螺柱固定制冷片14及第2水冷头28 ;空隙处填充满隔热棉；第六层为30mm隔热棉，第七层为亚格力板，有电机通过电机主轴23与样品平台22相连，控制样品平台正反转和360度旋转；第八层为底面底座由亚格力板组成；左、右面各由三层组成，左面内层是亚格力板有风速传感器31插孔及风速传感器走线孔，右面内层是亚格力板有大气压力传感器38安装孔及该传感器直线孔，左、右中间层为隔热棉，外层为亚格力板；半导体制冷箱体各面的各层均由螺柱相连，半导体制冷箱体同层各面之间采用嵌插式安装结构并加螺柱锁定。确保安装方便紧密。所述的控制器，包括3个温度传感器17，I个湿度传感器32，I个大气压力传感器38，I个风速传感器31，两只大风扇7，I个水滴加注水泵18，电机、一个12V600W可控电压电源、两个12V10W可控电压电源，控制器STM32F107、TLC5615、320*240LCD、三只24伏温度变送器、5V-3.3V电平转换�？�、3.3V-5V电平转换�？�、2.9V LED电源�？�、5V电源�？樽槌桑簧鲜龈鞲龃衅饕呓涌刂破鱏TM32F107。由以上硬件控制系统通过PID算法实现温度在5摄氏度到零下10摄氏度正负0.5°C的控制，实现对风速、加水量的20等级可调，风速、湿度、大气压力实时可测(每秒可测)。所述的CMOS相机图像采集系统，包括两只高速风扇、相机，0.3-1倍光学放大镜镜头和XYZR微调平台(60mmX 60mm);所述的相机为CMOS工业相机，分辨率2592 X 1944，灰度256，拍照速度6fps ;所述的高速风扇功率为12V0.48A ;所述的相机安装在XYZR微调平台上；此平台可调范围0-20mm,精度0.02mm,两只高速风扇在半导体制冷箱体外对着石英玻璃观察窗口成45度角左右对称安放。所述的PC机，采用奔腾双核以上CPU，500GB以上硬盘，2GB内存，具有USB2.0以上接口，19英寸以上IXD显示器。所述的石英玻璃观测窗，采用内插式长方体结构，石英玻璃插入其中。所述的制冷片选用C1206型。所述的电机选用42型步进电机。所述水冷机通过水循环保证对箱体制冷片热端水温控制在20摄氏度内。实施例1
不同材料结冰对比实验
IcmX Icm未处理过和处理过的材料样品各一片，并排放于本系统的样品平台上，在材料上各用针头滴一滴水滴，放入半导体制冷箱体中，实验条件设定为:风速lm/s，实验时间20分钟，视频采集速度20帧/分钟。其结果如图8所示。左边样片在零下5.4°C结冰，压力110.3kpa，相对湿度44%RH，3秒钟完成结冰；右边零下8.3°C时开始结冰，此时湿度为51%RH，19秒后完成结冰过程，其间大气压力保持在115kpa。实施例2` 材料淋水滴结冰实验
lcmX2cm材料样品，实验条件设定为:倾角10度放置于样品平台上，在材料上滴水滴4uL/s，风速lm/s，实验时间10分钟，视频采集速度60帧/分钟。其结冰过程如图9所示。实验开始滴水时温度为零下1°C，相对湿度86%RH，大气压力107Kpa。结冰过程参数如表I
表1:结冰过程参数
权利要求
1.一种基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，其特征在于:该系统包括水冷机、半导体制冷箱体、控制器、CMOS相机图像采集系统、PC机；水冷机进、出水管与半导体制冷箱体的出、进水管对应相连，半导体制冷箱体的环境温度、湿度、风速、大气压力传感器引线接控制器，控制器通过USB线与PC机通信，CMOS相机图像采集系统通过USB线与PC机通信。
2.根据权利要求1所述的基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，其特征在于:所述的水冷机采用工业级小型水冷机，功率1600W，温度控范围10-30摄氏度。
3.根据权利要求1所述的基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，其特征在于:所述的半导体制冷箱体为长方体，其正面由内层、隔热层和外层共三层组成:内层上安有两只LED灯(2)及LED防水罩(1)，贯通三层的石英玻璃观测窗；其背面由10层组成，最内层为两只大风扇(7)并排放置组成；第二层为第I散热片(9);第三层为6片制冷片(14)及隔热和固定用亚格力板及隔热棉；第四层为两片并排的第I水冷头(13)，采用90度弯头(12)互连用于对制冷片(14)热端水冷散热；第五层为铝皮(15)固定两片并排的第I水冷头(13);第六层为亚格力板；第三到六层间的空隙间填充有隔热棉；第七层为隔热棉，第八层为亚格力板，其上安有接线排座连接半导体引线及大、小风扇引线，接线排座上引线到对应电源；第九层为控制器安装层；第十层为背面最外层为亚格力板；箱体顶面为箱盖由3层组成，最上层是亚格力板，其上中间后部安有水泵(18)并有水管通过中间前部孔洞穿过顶面给样品加水滴；最上层亚格力板左右安有手把；中间层为隔热棉，最内层为亚格力板；最上和最内层亚格力板间通过螺柱连接在一起；箱体底面由8层组成；底面上空间为样品平台(22)，距样品平台下间隔IOmm有铝皮作底面；再下间隔3mm为第二层安装有两只小风扇(25);第三层安装有两只第2散热片(26);第四层为两片制冷片(14)分别安装距样品平台左右各IOmm处，周围为亚格力板；第五层为两只第2水冷头，通过90度弯头和水管连接，此两只第2水冷头通过水管还与背面水冷管相连并最终通过水管与水冷机相连；此外通过铝片及亚格力板与第2散热片(26)通过螺柱固定制冷片(14)及第2水冷头(28);空隙处填充满隔热棉； 第六层为隔热棉，第七层为亚格力板，有电机通过电机主轴(23)与样品平台相连，控制样品平台正反转和360度旋转；第八层为底面底座由亚格力板组成；左、右面各由三层组成，左面内层是亚格力板有风速传感器(31)插孔及风速传感器走线孔，右面内层是亚格力板有大气压力传感器(38 )安装孔及该传感器直线孔，左、右中间层为隔热棉，外层为亚格力板；半导体制冷箱体各面的各层均由螺柱相连，半导体制冷箱体同层各面之间采用嵌插式安装结构并加螺柱锁定。
4.根据权利要求1所述的基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，其特征在于:所述的控制器，包括3个温度传感器(17)，I个湿度传感器(32)、1个大气压力传感器(38)、1个风速传感器(31)、两只大风扇(7)、1个水滴加注水泵(18)，电机、一个12V600W可控电压电源、两个12V10W可控电压电源，控制器STM32F107、TLC5615、320*240LCD、三只24伏温度变送器、5V_3.3V电平转换�？�、3.3V-5V电平转换�？�、2.9VLED电源模块、5V电源�？樽槌桑簧鲜龈鞲龃衅饕呓涌刂破鱏TM32F107。
5.根据权利要求1所述的基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，其特征在于:所述的CMOS相机图像采集系统，包括两只高速风扇、相机，0.3-1倍光学放大镜镜头和XYZR微调平台；所述的相机为CMOS工业相机，分辨率2592*1944，灰度256，拍照速度6fps ;所述的高速风扇功率为12V0.48A ;所述的相机安装在XYZR微调平台上；此平台可调范围0-20mm,精度0.02mm,两只高速风扇在半导体制冷箱体外对着石英玻璃观察窗口成45度角左右对称安放。
6.根据权利要求1所述的基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，其特征在于:所述的PC机，采用奔腾双核以上CPU，500GB以上硬盘，2GB内存，具有USB2.0以上接口，19英寸以上IXD显示器。
7.根据权利要求1所述的基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，其特征在于:所述的石英玻璃观测窗，采用内插式长方体结构，石英玻璃插入其中。
8.根据权利要求1所述的基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，其特征在于:所述的制冷片选用C1206型。
9.根据权利要求1所述的基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，其特征在于:所述的电机选 用42型步进电机。
全文摘要
一种基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统，包括水冷机、半导体制冷箱体、控制器、CMOS相机图像采集系统、PC机；其水冷机进、出水管与半导体制冷箱体的出、进水管对应相连，半导体制冷箱体的环境温度、湿度、风速、大气压力传感器引线接控制器,控制器通过USB线与PC机通信，CMOS相机图像采集系统通过USB线与PC机通信。本系统能达到对2L空间温度2℃到-10℃的精确控制、湿度实时监测、风速0-1m/s20级可调可测、水滴0uL/s-20uL/s10级可调、大气压实时可测，并通过相机实时获取相应条件下小于2cm×2cm的样品结冰及超疏水状况、结冰厚度图并可计算相应结冰厚度等参数。
文档编号G01M9/00GK103092233SQ20121058808
公开日2013年5月8日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者邓彬伟, 李文, 张开志, 马学军, 黄磊, 阮敏, 周兵 申请人:邓彬伟, 李文
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