CN104181086A - 一种喷雾粒径分布二维扫描检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷雾粒径分布二维扫描检测装置及检测方法。本发明二维扫描检测装置包括支撑台架，二维移动单元，线性模组，光栅尺，伺服驱动单元，伺服控制单元和激光粒度仪系统；所述激光粒度仪系统由激光光源部分和激光接收部分组成。本发明检测方法通过控制左垂直移动伺服电机和右垂直移动伺服电机使水平支撑架配合激光粒度仪系统；通过控制水平移动伺服电机使得脉冲喷嘴配合激光粒度仪系统，处于激光粒度仪系统发射激光的正上方；通过水平移动伺服电机、左垂直移动伺服电机和右垂直移动伺服电机带动水平支撑架和喷嘴移动平台实现在垂直激光粒度仪二维平面内的扫描移动，能够全面真实的反应喷雾粒径的二维分布。

Description

一种喷雾粒径分布二维扫描检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及生物基材料成型技术及装备领域中喷雾粒径分布检测领域，更具体地说，是涉及一种基于精密伺服驱动二维扫描的脉冲喷雾粒径分布检测装置和方法。 

背景技术

包装是食品制造过程的独立元素，给人们生活带来便利。绿色包装是实现包装工业可持续发展，减少因包装而带来的环境污染问题的重要途径，可食性包装膜及蔬菜基材料以其原料来源丰富、可持续、可食、无污染等优越性，成为新兴包装领域研究的一大热点。蔬菜复合纸大豆蛋白液喷涂技术，采用蛋白液电子脉冲喷涂方法，通过设置脉冲喷涂的流量、气压、液压等相关参数，将特定配比蛋白溶液通过高频脉冲喷嘴喷出，形成扇形喷雾，涂覆在相关基材上，经过烘干、整形，形成复合包装材料。喷涂雾化的物理过程，直接关系复合材料的相关性能指标。喷涂的均匀性，粒径的一致性，喷雾颗粒空间密度分布等性能参数对最终覆膜的性能具有直接而重要的影响。扇形喷雾颗粒的粒径大小、密度分布等物理参数，不仅与喷头物理结构有关，同时与喷雾气压、液压、流量及喷嘴脉冲频率直接相关。针对不同参数下喷雾的雾化性能，需要设计大量的比对实验。不仅要测量喷雾的轮廓造型，还需要研究喷雾的粒径分布。 

由于喷雾本身存在气液两相流的物理特性，在空间中分布较为复杂。在扇形喷雾轮廓内部，喷雾的空间密度与粒径分布随着喷涂参数的变化而变化。在某一确定喷涂参数条件下，喷雾的粒径分布与扇形喷雾空间密度分布形成某种动态稳定状态。研究人员利用激光粒度仪能够检测到空间中某喷雾确定位置的相关粒径大小。扇形喷雾在空间中，不同位置的喷雾粒径存在不同的分布特性。局限于激光粒度仪设备的使用方式，很难将其移动，来实现对喷雾轮廓内各个 位置的粒径进行实时测量,进而难以表述喷雾在空间中整体的喷涂特性与雾化情况。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，解决喷雾粒径分布检测技术的局限与不足，提供一种喷雾粒径分布二维扫描检测装置及检测方法。 

本发明喷雾粒径分布二维扫描检测装置，通过下述技术方案予以实现，所述二维扫描检测装置包括支撑台架，二维移动单元，线性模组，光栅尺，伺服驱动单元，伺服控制单元和激光粒度仪系统；所述激光粒度仪系统由激光光源部分和激光接收部分组成，所述激光光源部分包括激光光源和光源调整平台，激光光源内安装透镜；激光接收部分包括激光接收器、镜头、针孔和接收器调整平台，镜头安装在激光接受器的前端，镜头前方的调整平台顶端安装针孔； 

所述支撑台架由左底座、右底座、左立架、右立架、横梁和支撑架固定组成；二维移动单元由水平直线导轨、左垂直导轨和右垂直导轨组成；水平直线导轨固定在支撑架前侧面，光栅尺固定在支撑架上表面，水平直线导轨内安装水平线性模组，移动平台与水平线性模组固定，喷嘴安装在移动平台上；左垂直导轨固定于左立架上，左垂直线性模组固定于左垂直导轨内，右垂直导轨固定于右立架上，右垂直线性模组固定于右垂直导轨内，支撑架的两端分别设置于左垂直导轨和右垂直导轨内；伺服驱动单元由驱动喷嘴的水平移动伺服电机5、驱动支撑架的左垂直移动伺服电机和右垂直移动伺服电机组成，伺服控制单元控制伺服驱动单元；伺服控制单元连接运动控制计算机，激光接收器连接数据分析计算机； 

激光光源部分和激光接收部分水平对置，喷嘴置于激光光源部分和激光接收部分之间空间的上部位置，喷雾垂直向下喷出，利用喷嘴的移动，实现基于激光粒度仪的喷雾粒径二维扫描检测。 

上述线性模组是基于滚珠丝杠驱动的，所述水平直线导轨、左垂直导轨和右垂直导轨的两端分别安装极限位置限位器。 

所述伺服驱动单元通过联轴器将伺服电机与线性模组连接。 

本发明喷雾粒径分布二维扫描检测方法，按照下述步骤进行， 

S1：安装调节激光粒度仪系统，并保证激光光源部分和激光接收部分之间 有足够的空间能够放置喷雾粒径分布二维扫描检测装置； 

S2：安装需要进行测试的喷嘴，并调整喷嘴位置，保证喷嘴垂直向下； 

S3：启动运动控制计算机和数据分析计算机，通过控制左垂直移动伺服电机和右垂直移动伺服电机使水平支撑架配合激光粒度仪系统，处于合理的高度；通过控制水平移动伺服电机使得脉冲喷嘴配合激光粒度仪系统，处于激光粒度仪系统发射激光的正上方； 

S4：启动气泵，设置喷雾气压、液压，以及脉冲喷涂的频率； 

S5：喷雾稳定后，启动二维移动平台，根据设计好的路径，调整喷头和激光粒度仪光线的相对位置； 

S6：每次移动过的距离，以及在某一位置停留的时间有操作者自行决定，移动最短距离由伺服电机反馈单元的最小驱动角度决定，在保证采集激光粒度仪最短的时间条件下，停留时间可以任意设定； 

S7：通过水平移动伺服电机、驱动支撑架的左垂直移动伺服电机和右垂直移动伺服电机带动水平支撑架和喷嘴移动平台实现在垂直激光粒度仪二维平面内的扫描移动，将不同位置的粒径大小数据，配合二维扫描移动平台的相对坐标，能够全面真实的反应喷雾粒径的二维分布； 

S8：重复步骤S1-S7，对不同的喷涂参数条件下的喷雾进行测试。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

1.使用本发明装置及方法克服了现有技术上工作量大，速度慢，准确性和可重复性差等缺陷，能够快速精确定位粒子粒度小而均匀的雾化良好区域。 

2.本发明基于激光粒度仪检测粒径，同时发明二维扫描移动检测装置及方法，使得脉冲喷头能够沿着竖直和水平方向在空间二维平面内精确移动。以解决现有技术在试验台搭建完成后只能对喷雾某一点实现粒径测量的不足，尤其实现了扇形喷雾粒径的二维扫描检测。 

3.本发明采用机电一体化的设计,整个过程都可以由计算机控制进行,测试结果直接以报告的形式打印出来,同时测试结束后可以得到喷嘴的喷雾粒度 的分布曲线及其粒度的相关数据。试验结果可以保存到数据库,可在数据库中查看不同喷嘴和不同条件下的粒度分布,进行比较,从而得到适合于生产实际的喷嘴和工作参数。 

4.本发明能够全自动调节喷嘴的位置及喷雾气压、液压、流量及喷嘴脉冲频率等参数，能够利用激光粒度仪精确测量喷雾在二维空间的粒度分布，并且自动化程度高，操作简单，测量结果精度高。 

附图说明

图1是本发明结构示意图。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

如图1所示，所述二维扫描检测装置包括支撑台架，二维移动单元，线性模组，伺服驱动单元，光栅尺，伺服控制单元和激光粒度仪系统；所述激光粒度仪系统由激光光源部分和激光接收部分组成，所述激光光源部分包括激光光源33和光源调整平台31，激光光源内安装透镜32；激光接收部分包括激光接收器30、镜头29、针孔28和接收器调整平台34，镜头29安装在激光接受器的前端，镜头前方的调整平台顶端安装针孔28；激光接收器依次连接主机35和显示器36； 

所述支撑台架由左底座19、右底座23、左立架20、右立架22、横梁21和支撑架24固定组成；二维移动单元由水平直线导轨7、左垂直导轨13和右垂直导轨17组成；线性模组由水平线性模组8、左垂直线性模组9和右垂直线性模组18组成；水平直线导轨7固定在支撑架前侧面，光栅尺固定在支撑架上表面，水平直线导轨内安装水平线性模组8，水平线性模组与移动平台25固定，喷嘴26与移动平台固定；左垂直导轨固定于左立架上，左垂直线性模组固定于左垂直导轨内，右垂直导轨固定于右立架上，右垂直线性模组固定于右垂直导轨内，支撑架的两端分别设置于左垂直导轨和右垂直导轨内；水平直线导轨、左垂直导轨和右垂直导轨的两端分别安装极限位置限位器6、12、15；伺服驱动单元由驱动喷嘴的水平移动伺服电机5、驱动支撑架的左垂直移动伺服电机11和右垂直移动伺服电机14组成，伺服控制单元控制伺服驱动单元，伺服控制单元依次连接主机2和显示器1； 

激光光源部分和激光接收部分水平对置，喷嘴置于激光光源部分和激光接收部分之间空间的上部位置，喷雾垂直向下喷出，利用喷嘴的移动，实现基于激光粒度仪的喷雾粒径二维扫描检测。 

竖直方向安装两组直线移动单元：左垂直导轨13和右垂直导轨17，通过驱动支撑架的左垂直移动伺服电机11和右垂直移动伺服电机14和伺服控制单元3同步驱动支撑架24在竖直方向的平稳移动，利用光栅尺27精密检测平台移动位置。从而实现二维扫描检测装置在竖直方向扫描移动的功能。 

通过驱动喷嘴的水平移动伺服电机和伺服控制单元驱动水平安装在支撑架24上的水平线性模组8带动移动平台25在水平方向来回往复移动。通过光栅尺27精密反馈移动平台所处位置，实现对粒径空间分布的精密定位。实现二维扫描检测装置在水平方向扫描移动的功能。 

所述伺服驱动单元通过联轴器4，10，16；将伺服电机5，11，14与线性模组8，9，18连接，将电机旋转运动转化成线性模组上移动平台的直线运动。运动控制卡发送控制指令，通过伺服驱动器，驱动伺服电机的精确转动，进而实现线性移动平台的直线移动。通过光栅尺27对伺服平台移动位置的精密检测，精确实现喷雾粒度空间分布的二维构建。 

在调节左垂直线性模组9和右垂直线性模组18时，首先通过铅垂标尺，初步分别找正垂直线性模组的竖直方向。然后利用测高装置分别确定每一个垂直线性模组的基准安装点，以确定安装平台的等高。接下来，屏蔽丝杠功能，让垂直线性模组能够在直线方向顺畅的往复运动。安装支撑架24，带动支撑架同步移动两组垂直线性模组的运动部分，在两组垂直线性模组不同等高处观察横梁移动情况，及支撑架的受力情况。最终调整支撑台架上，两组垂直线性模组的安装位置，保证支撑架上下移动的稳定性及水平精度。 

使用上述装置的喷雾粒径分布二维扫描检测方法，按照下述步骤进行： 

S1：安装调节激光粒度仪系统，并保证激光光源部分和激光接收部分之间有足够的空间能够放置喷雾粒径分布二维扫描检测装置； 

S2：安装需要进行测试的喷嘴，并调整喷嘴位置，保证喷嘴垂直向下； 

S3：启动运动控制计算机和数据分析计算机，通过控制左垂直移动伺服电机和右垂直移动伺服电机使水平支撑架配合激光粒度仪系统，处于合理的高 度；通过控制水平移动伺服电机使得脉冲喷嘴配合激光粒度仪系统，处于激光粒度仪系统发射激光的正上方； 

S4：启动气泵，设置喷雾气压、液压，以及脉冲喷涂的频率； 

S5：喷雾稳定后，启动二维移动平台，根据设计好的路径，调整喷头和激光粒度仪光线的相对位置； 

S6：每次移动过的距离，以及在某一位置停留的时间有操作者自行决定，移动最短距离由伺服电机反馈单元的最小驱动角度决定，在保证采集激光粒度仪最短的时间条件下。停留时间可以任意设定； 

S7：通过水平移动伺服电机、驱动支撑架的左垂直移动伺服电机和右垂直移动伺服电机带动水平支撑架和喷嘴移动平台实现在垂直激光粒度仪二维平面内的扫描移动。将不同位置的粒径大小数据，配合二维扫描移动平台的相对坐标，能够全面真实的反应喷雾粒径的二维分布； 

S8：重复步骤S1-S7，对不同的喷涂参数条件下的喷雾进行测试 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.一种喷雾粒径分布二维扫描检测装置，其特征是，所述二维扫描检测装置包括支撑台架，二维移动单元，线性模组，光栅尺，伺服驱动单元，伺服控制单元和激光粒度仪系统；所述激光粒度仪系统由激光光源部分和激光接收部分组成，所述激光光源部分包括激光光源和光源调整平台，激光光源内安装透镜；激光接收部分包括激光接收器、镜头、针孔和接收器调整平台,镜头安装在激光接受器的前端，镜头前方的调整平台顶端安装针孔。

所述支撑台架由左底座、右底座、左立架、右立架、横梁和支撑架固定组成；二维移动单元由水平直线导轨、左垂直导轨和右垂直导轨组成；水平直线导轨固定在支撑架前侧面，光栅尺固定在支撑架上表面，水平直线导轨内安装水平线性模组，移动平台与水平线性模组固定，喷嘴安装在移动平台上；左垂直导轨固定于左立架上，左垂直线性模组固定于左垂直导轨内，右垂直导轨固定于右立架上，右垂直线性模组固定于右垂直导轨内，支撑架的两端分别设置于左垂直导轨和右垂直导轨内；伺服驱动单元由驱动喷嘴的水平移动伺服电机5、驱动支撑架的左垂直移动伺服电机和右垂直移动伺服电机组成，伺服控制单元控制伺服驱动单元；伺服控制单元连接运动控制计算机，激光接收器连接数据分析计算机；

激光光源部分和激光接收部分水平对置，喷嘴置于激光光源部分和激光接收部分之间空间的上部位置，喷雾垂直向下喷出，利用喷嘴的移动，实现基于激光粒度仪的喷雾粒径二维扫描检测。

2.根据权利要求1所述的喷雾粒径分布二维扫描检测装置，其特征是，上述线性模组是基于滚珠丝杠驱动的，所述水平直线导轨、左垂直导轨和右垂直导轨的两端分别安装极限位置限位器(6)，(12)，(15)。

3.根据权利要求1所述的喷雾粒径分布二维扫描检测装置，其特征是，所述伺服驱动单元通过联轴器(4)，(10)，(16)将伺服电机(5)，(11)，(14)与线性模组(8)，(9)，(18)连接。

4.一种根据权利要求1-3任一项所述的一种喷雾粒径分布二维扫描检测方法，其特征在于：按照下述步骤进行：

S1：安装调节激光粒度仪系统，并保证激光光源部分和激光接收部分之间有足够的空间能够放置喷雾粒径分布二维扫描检测装置；

S2：安装需要进行测试的喷嘴，并调整喷嘴位置，保证喷嘴垂直向下；

S3：启动运动控制计算机和数据分析计算机，通过控制左垂直移动伺服电机和右垂直移动伺服电机使水平支撑架配合激光粒度仪系统，处于合理的高度；通过控制水平移动伺服电机使得脉冲喷嘴配合激光粒度仪系统，处于激光粒度仪系统发射激光的正上方；

S4：启动气泵，设置喷雾气压、液压，以及脉冲喷涂的频率；

S5：喷雾稳定后，启动二维移动平台，根据设计好的路径，调整喷头和激光粒度仪光线的相对位置；

S6：每次移动过的距离，以及在某一位置停留的时间有操作者自行决定，移动最短距离由伺服电机反馈单元的最小驱动角度决定，在保证采集激光粒度仪最短的时间条件下，停留时间可以任意设定；

S7：通过水平移动伺服电机、驱动支撑架的左垂直移动伺服电机和右垂直移动伺服电机带动水平支撑架和喷嘴移动平台实现在垂直激光粒度仪二维平面内的扫描移动；

S8：重复步骤S1-S7，对不同的喷涂参数条件下的喷雾进行测试。