一种船舶智能除冰装置

本发明涉及超声波除冰，特别涉及一种船舶智能除冰装置。

背景技术：

1、船舶行驶在温度低易结冰的海域时，水面或者船体表面会出现结冰现象，此时船舶不可避免的需要进行除冰工作。截至目前，已应用和正在研究的除冰技术约有40种。如今常用的除冰防冰方法有热力融冰法、机械破冰法等主动除冰方法，以及超疏水涂层、牺牲性涂层、水润滑涂层以及低交联度界面滑移涂层等被动除冰方法。同时，船舶在行驶过程中也需要测量航道中水的流速，常用的测速仪器是流速仪。流速仪是一种用以测量流体速度的仪表。流速仪的主要类型有毕托管测速仪、光电式和水阻式测速仪、半导体膜片压强式测速仪和多普勒测速仪等。

2、目前大部分除冰装置采用电加热或通过喷洒除冰液的方式进行融化除冰，也有一些技术使用超声波进行除冰，但存在工作效率低，装置体积大，且不能及时根据实际情况智能控制除冰进程的弊端。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种船舶智能除冰装置，包括压电换能器阵列模块和与所述压电换能器阵列模块连接的控制电路模块；

2、所述压电换能器阵列模块包括流速测定部件和除冰部件；

3、工作时，所述控制模块控制所述流速测定部件发射超声波，并根据接收的超声波监测流速，若监测到流速异常，所述控制电路模块控制所述除冰部件发射超声波进行除冰。

4、pmut阵列即压电微机械超声换能器阵列，是一类通过压电材料的正逆压电效应使压电薄膜振动，从而发射或者接收超声波信号的mems(微电子机械系统)器件。当pmut阵列用于发射超声波时，它是一个执行器；当pmut阵列用于接收超声波时，它是一个传感器。利用多普勒效应，由于与水流以同速度运动的固体颗粒和声源有相对运动，固体颗粒可把入射的超声波反射回pmut阵列，pmut阵列可以根据入射声波与反射声波之间的频率差转换成液体的流速。同时，超声波在船舶蒙皮与冰层间传播时，由于传播介质的属性不同，会在蒙皮和冰的界面产生速度差，而该速度差会进一步产生界面剪切力。当所产生的界面剪切力超过冰与板的粘接强度时便能够将冰从船舶蒙皮上除下，因此，pmut阵列可以利用超声波在冰块中的传播与振动以及超声波的热效应来实现除冰功能。

5、进一步地，所述流速测定部件和除冰部件由不同直径的pmut单元排列而成；

6、所述流速测定部件发射的超声波频率为80～120khz；

7、所述除冰部件发射超声波频率为20～40khz。

8、进一步地，所述pmut单元由下至上包括带有空腔结构的衬底、底电极、压电层、顶电极和封装层。

9、需要说明的是，本发明中pmut单元按照常规的mems技术加工，采用所属领域技术人员熟知的半导体工艺来获得，空腔结构的衬底、底电极、压电层、顶电极和封装层结构以及材料无需严格限定，但需要满足pmut单元组成的pmut阵列满足流速测定和除冰的需要。空腔结构的衬底可以由绝缘体上硅(soi)刻蚀出空腔结构得到，也可以为腔体soi(cavity-soi)，还可以是其它的衬底如蓝宝石或碳化硅等定制出空腔结构而得到。底电极和顶电极的材料可以相同或不相同，可选取为钼、铝等材料。压电层的材料可选取为aln、pzt、铌酸锂、钽酸锂中的至少一种。

10、进一步地，所述封装层为防水的柔性材料，超声波在防水柔性材料的传播速度低于在冰中的传播速度，超声波在防水柔性材料的传播速度应该与水中传播的速度接近，示例性地，可以包括聚二甲基硅氧烷或热塑性聚氨酯橡胶等。防水性可以将pmut元件与水体分隔开防止其直接与水体接触，起到保护作用，同时增大pmut接收灵敏度，使测量结果更为可信。柔性特质使封装层在制备流程的最后一步更容易被塑形成为凸起结构，达到声聚焦的作用。

11、进一步地，所述封装层向外部环境凸起。

12、进一步地，所述流速异常指的是监测的流速小于等于上一个监测周期流速的一半。

13、进一步地，所述除冰部件设置若干组，并沿所述流速测定部件对称设置。

14、进一步地，还包括壳体，所述壳体安装于船舶的侧面，将控制电路模块封闭在壳体内部；

15、所述压电换能器阵列模块设置在远离船舶的壳体面上。

16、进一步地，远离船舶的壳体面具有倾角。

17、进一步地，还包括电源模块；

18、所述电源模块用于给所述压电换能器阵列模块以及所述控制电路模块供电。

19、进一步地，所述控制电路模块包括由处理电路连接的微处理器、存储器；

20、所述存储器上存有流速监测程序，所述微处理器能够执行所述流速监测程序以监测流速和将流速数据储存至所述存储器，所述存储器还能将流速数据发送给移动终端；当流速异常时，微处理器操控所述除冰pmut阵列完成除冰。

21、相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

22、本发明的装置基于mems技术得到流速测定部件和除冰部件，利用入射声波与反射声波之间的频率差转换成液体的流速，获取流速信息，在流速异常时，除冰部件发射超声波利用超声波在冰块中的传播与振动以及超声波的热效应来实现除冰功能。本发明的装置还具有一致性好、体积小、性能优异、智能化的优势。

技术特征：

1.一种船舶智能除冰装置，其特征在于，包括压电换能器阵列模块和与所述压电换能器阵列模块连接的控制电路模块；

2.根据权利要求1所述的船舶智能除冰装置，其特征在于，所述流速测定部件和除冰部件由不同直径的pmut单元排列而成；

3.根据权利要求2所述的船舶智能除冰装置，其特征在于，所述pmut单元由下至上包括带有空腔结构的衬底、底电极、压电层、顶电极和封装层。

4.根据权利要求3所述的船舶智能除冰装置，其特征在于，所述封装层为防水的柔性材料；

5.根据权利要求1所述的船舶智能除冰装置，其特征在于，所述流速异常指的是监测的流速小于等于上一个监测周期流速的一半。

6.根据权利要求1所述的船舶智能除冰装置，其特征在于，所述除冰部件设置若干组，并沿所述流速测部件对称设置。

7.根据权利要求1所述的船舶智能除冰装置，其特征在于，还包括壳体，所述壳体安装于船舶的侧面，将控制电路模块封闭在壳体内部；

8.根据权利要求7所述的船舶智能除冰装置，其特征在于，远离船舶的壳体面具有倾角，所述倾角为10～30°。

9.根据权利要求1所述的船舶智能除冰装置，其特征在于，还包括电源模块；

10.根据权利要求1～9任一项所述的船舶智能除冰装置，其特征在于，所述控制电路模块包括由处理电路连接的微处理器、存储器；

技术总结本发明公开了一种船舶智能除冰装置，包括压电换能器阵列模块和与所述压电换能器阵列模块连接的控制电路模块；所述压电换能器阵列模块包括流速测定部件和除冰部件；工作时，所述控制电路模块控制所述流速测定部件发射超声波，并根据接收的超声波监测流速，若监测到流速异常，所述控制电路模块控制所述除冰部件发射超声波进行除冰。本发明的装置基于MEMS技术得到流速测定部件和除冰部件，利用入射声波与反射声波之间的频率差转换成液体的流速，获取流速信息，在流速异常时，除冰部件发射超声波利用超声波在冰块中的传播与振动以及超声波的热效应来实现除冰功能。本发明的装置还具有一致性好、体积小、性能优异、智能化的优势。技术研发人员：刘文娟,翟紫晔,杨思洁,蔡耀,刘炎,孙成亮受保护的技术使用者：武汉大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27