表面修饰超憎水材料露霜凝结机理及测湿技术研究

Dew-point hygrometer is one effective method for humidity measurement at present, however, the metal mirror of condensation dew-point hygrometer are easily scratched and contaminated, which causes that it's difficult to identify the timing of the generated dew-frost, and it's maintenance is difficult. Starting from the mechanism of dew-frost's condensation, combing the development of surface science and polymer chemical industry, this project proposes a new dew-point measurement method by using the super-hydrophobic materials with surface modification, which provides an innovative idea for operational application of the dew-point hygrometer. Aimed at the basic theory and techniques of dew-point measurement, the main contents include: dynamic process of dew-frost's condensing mechanism on the super-hydrophobic materials with surface modification, image characteristics of dew-frost on condensing surface, development of dew-frost's condensing observation system and testing. By analyzing the mechanism of dew-frost's condensation on the surface of super-hydrophobic materials, impact factor of dew-frost's condensation, detection and identification of dew- frost,it will realize the new method of dew-point hygrometer by the super-hydrophobic materials with surface modification, which will promote the measurement accuracy and environmental adaptability of dew-point hygrometer.

露点仪是目前测湿最有效的方法，但现有露点仪凝结面通常由金属制成，存在有划痕、镜面污染等问题，对露霜的凝结时机造成影响，维护难度大。本项目从露霜凝结机理入手，结合对表面科学和高分子化工研究进展，创新提出将具有自清洁性能的表面修饰超憎水材料作为凝结面应用于露点测湿技术中，为露点测湿法在自然条件下的业务化应用提供了新思路。本项目针对该材料应用于露点测湿技术的基础理论和技术方法两个关键科学问题，提出了三个研究内容：表面修饰超憎水材料露霜凝结动力过程、表面修饰超憎水材料露霜凝结图像特征、搭建露霜凝结观测试验系统并试验。通过突破该材料面的露霜凝结机理、露霜凝结的影响因子与影响程度、以及露霜凝结时机和相态的识别等关键技术，实现基于表面修饰超憎水材料的露点测湿方法，从而有效提高露点仪的测量准确性和环境适应性。

露点仪是在低温条件下进行湿度探测的最有效的仪器。露点形成的基本条件之一是具备一个憎水的抛光表面。目前主要使用金属作为制作该表面的材料，然而露珠在金属表面的附着并非点接触，容易引起拉乌尔效应，导致测量的露点温度偏高；另一方面，金属材料在维护过程中产生的划痕和凹槽会导致结露的提前或露珠位置的漂移，引起较大的湿度测量误差。近年来，表面修饰的超憎水材料的研究为解决这一问题提供了新思路。一方面，露珠与超憎水材料的接触近似于点接触，可以较好地降低拉乌尔效应；另一方面，新材料不易有划痕、破损等引起的表面非对称问题。为寻找合适的镜面材料及研究镜面凝结状态的准确检测识别方法并用于露点测湿技术，本项目完成的主要工作和得到的结论有：.一是搭建了基于显微成像的露霜凝结观测试验系统，建立了露霜凝结过程的高时空分辨率的凝结图像特征库。.二是研究了高分子微球等新型超憎水材料的特性和制备工艺，研究表明露珠与该材料的接触近似于点接触。.三是研究了霜露凝结动力过程的基础理论，包括单个露滴的核化过程和增长机制。研究表明环境温度越低，露点温度越高、镜面温度越高或空气流速越快，都会导致露滴增长速度的加快。.四是分别研究了基于图像信息熵的图像特征提取技术、基于改进霍夫变换的圆检测算法以及基于多特征融合的霜露检测识别算法和Adaboost分类器，提高了了干净镜面、结露镜面和结霜镜面图像的检测识别准确率。.五是开展了一阶响应露点仪的研制。传统露点仪为二阶响应系统，本项目建立了露滴增长率与露点温度的关系，将湿度测量转化为一阶响应过程，提高了露点仪响应速度。实验表明，新型露点仪低温下的响应时间基本可以控制在10分钟以内。.本项目首次提出了采用新型表面超憎水材料作为露霜凝结面的新思路，并开展了新型表面材料的制备工艺、露霜凝结过程的基础理论、露霜图像的准确检测与识别、以及提高动态响应特性的研究和实验验证等工作，为新型露点仪的研制奠定了理论基础和技术支撑。