CN107164808B - 一种近场电纺喷印在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的技术方案为一种近场电纺喷印在线监测系统，其包括：由注射推进机构、注射器、收集平台、辅助电场及高压电源组成的近场电纺发生装置；由微电流传感器、四象限探测器及与所述四象限探测器连接的外围电路组成的监测装置；以及控制装置，其上设有控制面板。与现有技术相比，本发明使得操作人员可以直接对控制面板上显示的数据进行记录，并可通过控制面板上的功能按键对相应数据进行调控，从而提高了近场电纺喷印在线监测的可控性。
Description
技术领域
本发明涉及一种近场电纺喷印在线监测装置。
背景技术
纳米结构由于其独特的性质使其在多领域应用并成为了众多学者深入研究的主题。现今大量的合成和制造方法已经被应用于产生纳米纤维结构，而在这些方法当中近场电纺喷印(基于近场静电相互作用的拉伸过程)为制造实心/空心/包轴等多种形式的纤维及其沉积排布提供了直接简单的方法，与其它纳米纤维结构的方法不同，近场直写排列纤维的方式是利用高压电场激发并往收集板定向沉积的过程中在空气中通过运动、蒸发形成第一次细化，并通过在收集板上的沉积后收集板对纤维基于静电相互作用的单轴拉伸牵引，进一步连续减少黏性射流的直径，这种技术适合于产生连续均匀，细化直径的纤维序列排布。而在近场电纺喷印技术的应用过程中，需要操作人员对电压、喷印速度、进给速度、环境温度、湿度等根据纤维的喷印状态进行实时调控以保证喷印参数与喷印状态相匹配从而达到纤维喷印的最优状态，但在传统近场电纺喷印过程中喷印监测主要依赖人工观察摄像机，故存在判别过于主观、调节难度大的问题。
如中国专利CN103952778B中公开了一种具有实时采样功能的气流辅助静电纺丝仪，其利用光学显微镜对纺丝的喷印状态进行实时监测，而该方案对操作人员的主观判断和操作经验要求较高，且单纯通过图像难以完全观察到静电纺丝的喷印细节，另外在调教过程中对焦、调整等操作难度较大。
故，需要提供一种新的近场电纺喷印在线监测装置以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种近场电纺喷印在线监测装置，通过其上的监测装置可将监测到的各数据显示在控制面板上，并可通过控制面板直接对相应数据进行调整，从而有效提高了近场电纺喷印在线监控的可控性。
本发明的技术方案为一种近场电纺喷印在线监测系统，其包括：
由注射推进机构、注射器、收集平台、辅助电场及高压电源组成的近场电纺发生装置；由微电流传感器、四象限探测器及与所述四象限探测器连接的外围电路组成的监测装置；以及控制装置，其上设有控制面板。
进一步，注射器一端设有储液仓用以储存溶液，另一端设有金属针头。
进一步，高压电源的高压端与注射器的金属针头相连，注射推进机构与注射器另一端相连并机械固定且能沿着z轴作直线往复运动。
进一步，金属针头上固定有微电流传感器，其用以检测金属针头-聚合物纤维-收集平台之间形成的弱通路之间的微电流。
进一步，所述四象限探测器由四块平铺分布的应变片-电容传感器单元组成且互相隔离。
进一步，每块应变片-电容传感器单元为确定电荷量的平板。
进一步，所述收集平台处平行放置两块四象限探测器以形成一个体空间。
进一步，微电流传感器以及四象限探测器通过独立且高压隔离的电路与一嵌入式处理器进行连接。
进一步，所述控制面板上设有采集开关、屏幕和功能按键，所述嵌入式处理器控制微电流传感器采集并处理的数据量化的显示在屏幕上。
与现有技术相比，本发明通过其上的监测装置可将监测到的各数据量化的显示在控制面板上，使得操作人员可以直接通过显示在控制面板屏幕上量化后的数据了解目前的喷印状态，且通过功能按键对显示的各数据根据需要进行直观准确量化的调节，从而有效解决传统近场电纺喷印过程中喷印监测主要依赖人工观察摄像机，判别过于主观、调节难度大的问题，故大大降低了操作难度，提高了近场电纺喷印在线监控的可控性。
附图说明
图1为近场电纺喷印在线监测系统的结构示意图。
图2为近场电纺喷印在线监测系统另一角度的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明一种近场电纺喷印在线监测系统，其包括：由注射推进机构1、注射器2、收集平台3、辅助电场4及高压电源组成的近场电纺发生装置；由微电流传感器5、四象限探测器6及与所述四象限探测器6连接的外围电路组成的监测装置；以及控制装置7，其上设有控制面板，可显示相应数据并可根据需要对相应数据进行调整。
如图2所示，其中注射器2一端设有储液仓用以储存溶液，另一端设有金属针头21。高压电源的高压端与注射器2的金属针头21相连，注射推进机构1与注射器2另一端相连并机械固定且能沿着z轴作直线往复运动，通过推动注射推进机构1可将储存在储液仓中的溶液推进到金属针头21处，进而使得溶液在金属针头21处被高压电源的高压端所产生的电势高压激发而在金属针头21处形成射流；而在金属针头21的正下方，收集平台3与二维(X-Y)运动平台相连，且与金属针头21所在平面成垂直正交，并通过导线与大地相连即收集平台3处电势为0，因此金属针头21处的溶液被高压电源进行高压激发后，金属针头21与收集平台3之间形成极大的电势差，且在电势差的作用下溶液在空间运动过程中因挥发而最终形成聚合物纤维且沉积在收集平台3上，通过重复上述射流沉积过程，以对注射器喷出的聚合物纤维进行收集。
如图2所示，本实施例中，金属针头21上固定有微电流传感器5，其用以检测金属针头21-聚合物纤维-收集平台3之间形成的弱通路之间的微电流。由于在高压激发下，聚合物纤维存在大量的自由电子和正离子，且自由电子同时做热运动和由电场强度引起的定向运动，通过微电流传感器5检测电流的变化量可以求出聚合物纤维的直径变化量，进而通过该数据(聚合物纤维的直径变化量)可调节喷印过程中纤维的均匀性，以保证喷印的质量。
如图1和图2所示，由微电流传感器5、四象限探测器6及与所述四象限探测器6连接的(驱动、采集、处理等)外围电路组成的监测装置，其中微电流传感器5、四象限探测器6主要用于监测喷印过程中的纤维状态，四象限探测器6能够相对金属针头21在空间中作三维平移运动。本实施例中四象限探测器6由四块平铺分布的应变片-电容传感器单元组成且互相隔离、各不干扰，且每块应变片-电容传感器单元为确定电荷量的平板，其可以检测水平方向的库仑力产生的微运动。本实施例中，在收集平台3处平行放置两块四象限探测器6以形成一个体空间，对在四象限探测器6所围成的个体空间中的带电射流进行微元分割，并根据射流微元所受到的电场力可得到应变片所受到的作用力,进而通过应变片上的作用力变化检测到纤维与收集平台3接触的角度状况，微电流传感器5以及四象限探测器6通过独立且高压隔离的电路与一嵌入式处理器进行连接。
如图2所示，以及控制装置7，其上设有控制面板，可显示相应数据并可根据需要对相应数据进行调整。其中控制面板上设有采集开关71、屏幕72和功能按键73，所述嵌入式处理器控制微电流传感器5采集并处理的数据显示在屏幕72上，当开启采集开关71后，微电流传感器5、四象限探测器6的数据通过嵌入式处理器发送数据采集指令，以进行动态采集和处理并在屏幕上显示动态信息，使得操作人员可以直接对屏幕72上显示的信息进行记录，且对记录的数据进行分析后得到实时喷印状态，并可通过控制面板71上的功能按键73对得到的各数据根据需要进行相应的调控。
本发明提供的一种近场电纺喷印在线监测系统的工作原理为：溶液收容于注射器3的储液仓内，注射推进机构2推动注射器3的储液仓使得溶液进入金属针头21，且在高压电源高压端所提供的高电压激发下形成射流，并利用收集平台3(与大地相连，电势与大地电势相等)和位于金属针头处溶液的电势差使射流作定向沉积运动，在这个沉积过程中，通过控制高压电源持续供给高压，能够在注射器处形成连续的射流，射流经过蒸发、牵引细化进而在收集平台3处形成纤维。另为了让沉积过程更加稳定及控制量化数据，在射流作空间运动的过程中，纤维会受到布局在射流运动空间两侧的辅助电场4的作用，进而通过外部电场影响射流。此外，带电射流的运动会对四象限探测器6产生微作用力，通过分析作用力的分布，可以对射流的运动情况进行分析，且由于四象限探测器6可通过嵌入式处理器发送数据采集指令，并将采集和处理的指令在屏幕72上显示，从而使得操作人员可以直接对屏幕72上显示的数据进行记录，并可通过控制面板上的功能按键73对相应数据进行调控，故本发明解决了在传统近场电纺喷印过程中喷印监测主要依赖人工观察摄像机，判别过于主观、调节难度大的问题，大大降低了操作难度，从而提高了近场电纺喷印在线监测的可控性。
以上实施方式对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施案例，不能认为用于限定本发明的实施范围。由于相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更及修改。因此，凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (3)
1.一种近场电纺喷印在线监测系统，其特征在于，包括：
由注射推进机构、注射器、收集平台、辅助电场及高压电源组成的近场电纺发生装置；所述注射器一端设有储液仓用以储存溶液，另一端设有金属针头；所述高压电源的高压端与注射器的金属针头相连，所述注射推进机构与注射器另一端相连并机械固定且能沿着z轴作直线往复运动；所述金属针头上固定有微电流传感器，其用以检测金属针头-聚合物纤维-收集平台之间形成的弱通路之间的微电流；
由微电流传感器、四象限探测器及与所述四象限探测器连接的外围电路组成的监测装置；所述四象限探测器由四块平铺分布的应变片-电容传感器单元组成且互相隔离；所述微电流传感器及四象限探测器通过独立且高压隔离的电路与一嵌入式处理器进行连接；
以及控制装置，其上设有控制面板；所述控制面板上设有采集开关、屏幕和功能按键，所述嵌入式处理器控制微电流传感器采集并处理的数据量化的显示在屏幕上。
2.如权利要求1所述的一种近场电纺喷印在线监测系统，其特征在于：每块应变片-电容传感器单元为确定电荷量的平板。
3.如权利要求1所述的一种近场电纺喷印在线监测系统，其特征在于：所述收集平台处平行放置两块四象限探测器以形成一个体空间。
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