CN108337797A - 气液两相放电等离子体材料表面处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了气液两相放电等离子体材料表面处理装置，将高压气体通过流量计注入介质阻挡放电中，气体种类可根据加工对象进行调整。介质阻挡放电产生的大量活性粒子注入到液相中，利用液相中特殊活化性能对工件表面进行处理。通过紫外传感器检测产生的各种活性粒子，并传输到数据采集与控制单元，显示当前装置的工作状态，并实现在线实时动态调整，进而实现对液相中工件表面处理的自动化。通过二维平台控制工件移动，实现连续、均匀表面的处理。其有效提高了介质阻挡放电所产生等离子体活性物质与工件的表面接触面积，增大了射流设备的工作效率。

Description

气液两相放电等离子体材料表面处理装置

技术领域

本发明涉及一种加工装置，具体涉及气液两相放电等离子体材料表面处理装置。

背景技术

大气压等离子体是在大气压开放环境下的产生和应用，因其具有等离子体产生和维护系统简单、设备的制造和维护成本低、操作方便、效率高等优点，其在能源与环境、生物与医药、材料表面改性与处理、军事与空间科学等领域都具有广阔的应用前景。

从实际应用的角度出发，目前大气压等离子体研究主要集中在气液两相环境之间。在外加特殊电场作用下，气态和液态之间会发生复杂的物理和化学反应过程，产生多种活性基团(例如OH^-、O、O₃、H₂O₂、NO_x等)，这些活性基团决定等离子体主要性质。

气液两相放电的活性成分及其剂量，受到放电类型、反应器结构、气液两相参数和反应动力学参数等多个物理和化学参量的协同调控，并最终导致实际应用效果的显著差异。

根据等离子体放电的电极结构，主要包括：线-线/板、阵列、射流等。

根据等离体放电的环境，其可以其分为：气相和液相均连续、气相连续液相分离和液相连续气相分离三种类型，其中气相连续液相分离放电装置应用最为广泛，主要是由于其具有(1)放电环境不受限制；(2)可加工工件的尺寸和形状不受限制；(3)射流所产生的活性离子利用率高等优点。

大气压等离子体射流放电形式主要有电晕放电、电感耦合放电、介质阻挡放电、微空心阴极放电和电容耦合放电等。由于介质阻挡放电可有效抑制火花放电和弧光放电，且放电产生等离子体较均匀，所以大气压等离子体射流介质阻挡放电应用最为广泛。

目前设计和改造液相大气压等离子体介质阻挡放电装置是等离子体科学研究的重要方向，如何设计出液相射流处理面积更大、射流源作用效率高、等离子体射流连续加工平面等等离子体射流源具有重要的工程实际意义。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可精确控制，并实现连续、均匀表面处理的气液两相等离子体平面加工装置。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

气液两相放电等离子体材料表面处理装置，包括分别与数据采集与控制单元连接的等离子体射流、紫外传感器，紫外传感器监测射流等离子体的底端；

所述等离子体射流包括底端正对液面的反应室，所述反应室的腔底设有介质阻挡放电喷头，腔顶接高压气管；

所述介质阻挡放电喷头包括内置电极的绝缘介质管组成；高压激励电源为电极和液电极供电。

上述液面为水槽内的槽液面，水槽通过槽底的铁板置于由数据采集与控制单元驱动的二维磁性工作台上。

进一步的，上述二维磁性工作台包括接单片机的台体、显示模块、按键控制模块和供电模块，所述单片机接数据采集与控制单元；

所述台体包括磁性台面，及底部的二维平台；磁性台面内置若干缠绕铜线圈的铁芯；二维平台包括X横轴和Y纵轴，其顶面分别设有滑轨和由电机驱动的丝杆；

铜线圈、电机分别由单片机供电驱动。

上述液面设有导电支架。

上述介质阻挡放电喷头由若干呈水平阵列的绝缘介质管组成。

上述高压气管内的气体包括氧气、氢气、CF₄中的任一种。

上述介质阻挡放电喷头与液面的距离为1～10mm。

上述绝缘介质管的材质包括石英、云母和聚氟四氟乙烯中的任一种，电极的材质包括钨钼合金。

上述绝缘介质管的内径r值为0.5～2mm，外径R值为1～3mm；电极的直径D为0.05～0.3mm。

上述高压气管设有接数据采集与控制单元的流量计。

本发明的有益之处在于：

本发明的气液两相放电等离子体材料表面处理装置，利用介质阻挡放电产生高活粒子在液相中对工件进行表面加工改性，解决了液相中等离子体射流加工范围小且无法加工大尺寸物体问题。

通过高压气源、手动阀和气体流量计实现对高压气体流量的精确控制；根据处理对象不同可改变通入反应室的高压气体种类；若通入O₂，则在反应室中发生一系列物化反应，最终产物包括O₃等一些高活、氧化性粒子；若通过H₂，则等离子体射流产物为高还原性氢离子，若需要F-离子，则可通入CF4等。

介质阻挡放电最优参数的设计，通过调节激励电源的电压参数实现；电极之间的放电模式从局部的微放电过渡到介质阻挡微放电，避免局部火花放电或弧光放电，使得通入的气体分子被电离，实现液相-等离子体交互作用，并可将其产生的高活性粒子应用环境修复、材料科学和医疗康复。

通过水槽底部粘的铁板，在工作台加磁情况下固定水槽；通过二维磁性工作台，实现工件的精确定位与高精确加工。

通过紫外传感器检测产生的各种活性粒子，并传输到数据采集与控制单元，显示当前装置的工作状态，并实现在线实时动态调整，进而实现对液相中工件表面处理的自动化。

通过采用平行的液电极放电，与液体作用时可以携带大量带电活性粒子；克服了装置通常采用电场平行于气流方向的放电结构，放电时射流与液体相互作用时基本不含带电粒子，粒子主要为中性粒子的问题。

本发明的气液两相放电等离子体材料表面处理装置，可在液相中连续对大尺寸物件进行表面处理，其装置简单、操作方便、现象明显、可连续反复使用，增大了射流设备的工作效率，具有很强的实用性和广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明的气液两相放电等离子体材料表面处理装置的结构示意图。

图2为本发明的反应室的结构示意图。

图3为本发明的介质阻挡放电喷头的结构示意图。

图4为本发明的MCU的结构示意图。

图5为本发明的二维磁性工作台的结构示意图的俯视图。

图6为本发明的二维磁性工作台的结构示意图的侧视图。

图7为本发明的二维磁性工作台的连接关系示意图。

图8为本发明的磁性台面的结构示意图。

图9为本发明的水槽的结构示意图。

图10为本发明的紫外传感器的电路结构示意图。

图11为本发明的操作顺序示意图。

图12为本发明的工件加工的轨迹示意图。

附图中标记的含义如下：1、等离子体射流，2、流量计，3、手动阀，5、工件，6、支架，7、水槽，8、槽液，9、铁板，10、磁性台面，11、二维平台，12、紫外传感器，13、高压激励电源，14、反应室，16、气管，17、绝缘介质管，18、电极，19、滑轨，20、电机，21、Y纵轴，22、X横轴，23、铁芯，24、铜线圈，25、热熔胶。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1所示，气液两相放电等离子体材料表面处理装置，反应室14的腔底设有距槽液8面1～10mm的介质阻挡放电喷头，腔顶侧接带手动阀3和流量计2的高压气管16，流量计2接数据采集与控制单元。气管16内的气体根据使用需求，可选用氧气、氢气、CF₄中的任一种及其他。

如图2和3所示，介质阻挡放电喷头由若干平行且内置电极18的绝缘介质管17组成水平阵列介质阻挡放电，数据采集与控制单元控制高压激励电源13为电极18和液电极18供电。绝缘介质管17的内径r值为0.5～2mm，外径R值为1～3mm，材质可用石英、云母和聚氟四氟乙烯中的任一种，优选为石英，电极18的直径D为0.05～0.3mm，材质优选为钨钼合金。

水槽7液面固定导电支架6，通过槽底的铁板9置于二维磁性工作台上。铁板9通过热熔胶25粘合于槽底底部(如图9)。

二维磁性工作台由单片机、台体、显示模块、按键控制模块和供电模块组成(如图7)，单片机通过接口电路接数据采集与控制单元。

台体由磁性台面10，及底部的二维平台11组成；

磁性台面10内置若干缠绕铜线圈24的铁芯23(如图8)，其在通入直流电情况下会产生磁场，如果电源断开，则磁性台面10失去磁性。在磁性台面10通电时，通过吸附铁板9，水槽7和磁性台面10位置固定。

二维平台11包括X横轴22和Y纵轴21(如图5和6)，其顶面分别设有燕尾型滑轨19和由步进电机20驱动的丝杆；步进电机20驱动X轴丝杆转动，使得Y纵轴21沿X横轴22顶部的滑轨19滑动；同样的，步进电机20驱动Y轴丝杆转动，使得磁性台面10沿Y纵轴21顶部的滑轨19滑动。铜线圈24、步进电机20分别由单片机供电、驱动。

水槽7设置与接数据采集与控制单元连接的监测反应室14端部的紫外传感器12。

本发明的硬件、原理及操作：

(1)、数据采集与控制单元

如图4所示，数据采集与控制单元，包含了微处理器(MCU)，气体流量和光学检测数据采集区，按键控制区，显示区，步进电机20驱动区，高压激励电源13控制区、电源供电电路模块区和接口电路区。

MCU可选择STC公司的STC12C、STM32、STC89系列芯片。优选封装为SOP-20，内置8位ADC和通用I/O口，速度均可达到100kHZ，8路ADC模块可以用作电压检测、电流检测、光谱检测等。

信号采集并传送到MCU的ADC接口，之后MCU根据内部设定的模型判断放电装置是否工作在最佳放电状态，从而控制整个系统的运行的各个放电参数。显示屏与I/O口连接，显示屏可以使用的型号为LCD1602,LCD12864,LCD16864,LCD12232等。

(2)、二维磁性工作台

单片机选用运算在8位及以上，可选用8位51系列ATMEGA16L单片机，因其具有典型的结构，众多的逻辑位操作功能，以及丰富的指令系统，同时具有强大的运算能力和可编程的特点，可以实现较为复杂的步进电机20控制功能。

按键控制模块采用4×4矩阵键盘作为系统的输入模块，以实现系统的参数设定、界面切换和实时键控。通过按键的输入实现对电路坐标设定、运动方式、数组显示等参数的设定。

显示模块采用LCD液晶显示器，可选用LCD1602型号，采用串行模式电路接法，可实现显示坐标的设定值、当前值、运动时间等功能。

为了便于在线编程、下载和仿真口线，添加了接口电路。接口电路可采用JTAG接口方式，其可支持扩展的片内在线调控功能，同时可以实现对片内FLASH、EEPROM、配置熔丝位和锁定加密位实现下载编程。

供电模块可采用集成稳压器中的直流稳压芯片，例如L7805稳压芯片，为系统的供电电源。

采用步进电机20作为驱动器进行位置控制。步进电机20功率在50～200W，交流220V或直流24V供电，控制信号接口可选用CLK(CP)、DIR、RST、ERR。

如图5和6所示，从上到下依次为磁性台面10、X横轴22、Y纵轴21。当Y轴步进电机20转动时，X横轴22带动磁性台面10沿Y轴方向运动，X轴步进电机20静止；当X轴步进电机20转动时，磁性台面10沿X轴方面运动，Y轴步进电机20此时静止。

X轴和Y轴步进电机20分别连接单片机，通过单片机控制两个电机20的速度和行程，可以实现磁性台面10的移动速度≥70mm/s，行程在500×500mm，控制精度在0.1mm。

二维磁性工作台采用步进电机20驱动的双层结构，可由计算机系统控制下进行各种精确运动，系统分辨率高。

(3)、紫外传感器12

本发明使用PDM高压电源驱动介质阻挡放电结构。

在高压电场的作用下，物质吸收能量发生电离。气体中的原子或分子与电子之间的碰撞，原子与原子之间碰撞，光与原子或分子的相互作用，产生各种放电生成物，包括高能电子、正负离子、自由基、臭氧(O₃)和紫外线(UV)，以及少量的氮氧化物(NO_x)等，使废气中的有机物分子、重金属元素、病菌等有毒害物种，发生强氧化反应，最终达到降解、杀菌、消毒等目的。

气体在介质阻挡放电的作用下吸收电能，发生电子跃迁，产生激发态的活性物种，活性物种在由激发态变回基态的过程中会发出特定波长的光，因此产生活性物种的浓度可以通过发射光谱的强度来表示。

本发明的装置在放电过程中产生紫外辐射，紫外线的波长范围为180-400nm，具体分为UVC辐射(180-280nm)、UVB辐射(280-320nm)、UVA辐射(320-400nm)。由于人眼看不见紫外辐射，放电产生的紫外线等原子和分析光谱成分和辐射强度需要通过专门的光学探测器件测量。

为了测量放电区域的活性物质种类和浓度，本发明利用紫外传感器12探测反应室14放电区域的活性物的光谱强度，将光学信号转化为电信号，用紫外传感器12输出的电压信号表示活性物种产生的相对浓度。传感器型号可选用GS-AB-0603E(检测范围300-370nm)、GS-ABC-2835(检测范围210-370nm)、GT-UVV-L(检测范围200-440nm)等。

由于介质阻挡放电过程中产生的活性物种会发出多种波长的光谱，如羟基(·OH)、氧自由基(·O)和氮氧化物(NOx)，而本发明中主要关注(·OH)(309-318nm)的光谱，因此在紫外传感器12前放置滤光片对光谱进行初步滤除。紫外带通型滤光片可选择ET313/25BP(中心波长313nm，带宽25nm)、ET325/20BP(中心波长325nm，带宽20nm)、XBPA310，ZBPA310(中心波长310nm，带宽10nm)。

如图10所示，将紫外传感器12的电压信号通过电压跟随器进行隔离，由于紫外传感器12输出的信号的频率较高，所以U7使用响应时间较快电流型运算放大器用作电压跟随器。由于后级运算放大器的输入阻抗无穷大，造成电荷的积累，因此需要与大地之间接一个电阻R12作为能的释放通道，为了防止高压振荡，R12与R13进行匹配，阻值相等。紫外传感器12输出的电压信号含有直流分量，如果将其直接通过后级的放大电路，可能会造成放大饱和失真，因此使用电容C6隔离传感器输出信号中的直流分量。下一步使用反相放大电路对取得的信号幅值进行放大，将信号再通过一级电压跟随器进行隔离后对放大后的电压信号进行处理。之后经过整流电路对将交流信号变为直流信号，将信号输入内置ADC模块的MCU，对数据进行采集和显示。

放大电路对应的方程式为：

式中，V表示紫外传感器12输出的电压信号经过电压跟随器的电压值，U8o表示放大电路输出的电压值。

(4)、操作过程

如图11所示，本发明的装置的外设中共有5个按键，

按键1为总开关按键，即其闭合后装置便开始正常工作；

按键2为磁性工作台按键，即其闭合后磁性工作台加磁，水槽7位置固定，按键断开，水槽7固定解除，可以挪动；

按键3是二维运动平台开关键，即其闭合后加工平台在水平面根据程序设定进行移动；

按键4是高压气体通气按键，接通后装置通入气体；

按键5是等离子体射流1电源开关键，开关闭合后，等离子体射流1电极18通电，产生高活性等离子体射流1粒子。

操作时，先按键1，接通装置总电源，然后开按键2加磁，固定水槽7，接着可以接通按键3，调整等离子体射流1与处理物表面距离。在开启等离子体射流1高频电源之前需要开启按键4，通入高压气体，最后按下按键5，等离子体射流1开始工作。

高压气体通过流量计2控制通入等离子体射流1的反应室14中，气体在高频激励电源作用下，产生活性粒子；活性粒子在高气压作用下注入底部浸没于液相中的工件5表面，从而实现对加工对象材料表面进行处理。

水槽7的稳定通过磁性工作台进行固定；加工对象(工件5)在二维平台11下实现在平面内连续均匀等离子体表面处理。

装置运作时，气体流量计2和紫外传感器12均将其采集到的气体流量和气体成分信息转变为模拟信号发送给MCU将其转换为数字信号，进而控制液晶显示当前的等离子体射流1处理材料表面质量，同时根据当前的高压激励电源13控制区和步进电机20驱动进行相应的动作。单片机与MCU连接，MCU将脉冲信号、方向信号和使能信号传导给单片机，进而控制步进电机20的运动速度、方向和距离。

表面处理过程如图12所示，等离子体射流1初始位置在O点，然后通过二维平台11将A(a，b)位置移到等离子体射流1处(O点)，此时开启等离子体射流1，移到台面在Y轴方向运动，使B(a，c)位置处于等离子体射流1处。Y轴步进电机20停止，工作台面在X轴步进电机20作用下移动到C(d，c)位置。依次按照如图7所示，将加工对象处理完成。

关闭按键按照5→4→3→2→1顺序操作。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.气液两相放电等离子体材料表面处理装置，其特征在于，包括分别与数据采集与控制单元连接的等离子体射流、紫外传感器，紫外传感器监测射流等离子体的底端；

所述等离子体射流包括底端正对液面的反应室，所述反应室的腔底设有介质阻挡放电喷头，腔顶接高压气管；

所述介质阻挡放电喷头包括内置电极的绝缘介质管组成；高压激励电源为电极和液电极供电。

2.根据权利要求1所述的气液两相放电等离子体材料表面处理装置，其特征在于，所述液面为水槽内的槽液面，水槽通过槽底的铁板置于由数据采集与控制单元驱动的二维磁性工作台上。

3.根据权利要求2所述的气液两相放电等离子体材料表面处理装置，其特征在于，所述二维磁性工作台包括接单片机的台体、显示模块、按键控制模块和供电模块，所述单片机接数据采集与控制单元；

所述台体包括磁性台面，及底部的二维平台；磁性台面内置若干缠绕铜线圈的铁芯；二维平台包括X横轴和Y纵轴，其顶面分别设有滑轨和由电机驱动的丝杆；

铜线圈、电机分别由单片机供电驱动。

4.根据权利要求1所述的气液两相放电等离子体材料表面处理装置，其特征在于，所述液面设有导电支架。

5.根据权利要求1所述的气液两相放电等离子体材料表面处理装置，其特征在于，所述介质阻挡放电喷头由若干呈水平阵列的绝缘介质管组成。

6.根据权利要求1所述的气液两相放电等离子体材料表面处理装置，其特征在于，所述高压气管内的气体包括氧气、氢气、CF₄中的任一种。

7.根据权利要求1所述的气液两相放电等离子体材料表面处理装置，其特征在于，所述介质阻挡放电喷头与液面的距离为1～10mm。

8.根据权利要求1所述的气液两相放电等离子体材料表面处理装置，其特征在于，所述绝缘介质管的材质包括石英、云母和聚氟四氟乙烯中的任一种，电极的材质包括钨钼合金。

9.根据权利要求1所述的气液两相放电等离子体材料表面处理装置，其特征在于，所述绝缘介质管的内径r值为0.5～2mm，外径R值为1～3mm；电极的直径D为0.05～0.3mm。

10.根据权利要求1所述的气液两相放电等离子体材料表面处理装置，其特征在于，所述高压气管设有接数据采集与控制单元的流量计。