CN109682879A - 一种液滴弹跳智能监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液滴弹跳智能监测设备，包括传感器单元，信号转换单元，数据处理单元；传感器单元用于采集液滴弹跳信息，采用一柔性压电复合传感器，固定在待测物体的下表面，所述柔性压电复合传感器包括一个膜组件，所述膜组件由聚偏氟乙烯薄膜构成，该膜组件正面具有圆柱形阵列；由于液滴在待测物品表面上的弹跳而使其产生震动或者受力形变，继而使传感器产生一系列的电信号；信号转换单元，包括一个微型模数转换器，将所述传感器采集的电信号转换为数字信号；所述数据处理单元用于处理从信号转换单元传输过来的数据。本发明可以简单、便捷、精确的监测液滴的弹跳过程并将其记录，而且可通过手机APP展示出来。

Description

一种液滴弹跳智能监测设备

技术领域

本发明属于智能控制领域，尤其涉及到了一种液滴弹跳智能监测设备。

背景技术

众所周知关于液滴弹跳的研究一直是科研工作者所关注的热点。关于液滴弹跳的研究在众多领域有非常重要的意义，例如：抗结冰，防水防污，冷凝集水等等。但是在研究液滴弹跳时，科研工作者对于如何获得一种简单、廉价、有效的观测手段一直是个难点。现阶段最有效观测液滴弹跳的设备是高速摄像机，然而动辄几十万的设备购置费让许多科研工作者望而却步，本设备的发明则可以完美解决这个问题，给研究液滴弹跳的科研工作者提供一个简单、廉价、有效的观测设备。

根据观测可知，当液滴在物品表面做弹跳运动时，物体表面会产生微小的震动，而液滴从接触物品到弹跳离开大概20ms左右，而本传感器由于特殊的结构(圆柱形微结构)和特殊的观测原理，压电响应时间在2ms左右，能瞬间捕捉到微小震动。因此本传感器可以准确的监测液滴的整个弹跳过程。

发明内容

本发明的目的主要是为科研工作者提供一种简单、廉价、有效的液滴弹跳智能监测设备，帮助科研工作者节省科研经费和工作时间。

为达到上述目的，本发明通过以下的技术方案实现：

一种液滴弹跳智能监测设备，其特征在于：包括传感器单元，信号转换单元，数据处理单元；

传感器单元用于采集液滴弹跳信息，采用一柔性压电复合传感器，固定在待测物体的下表面，所述柔性压电复合传感器包括一个膜组件，所述膜组件由聚偏氟乙烯薄膜构成，该膜组件正面具有圆柱形阵列；由于液滴在待测物品表面上的弹跳而使其产生震动或者受力形变，继而使传感器产生一系列的电信号；

信号转换单元，包括一个微型模数转换器，将所述传感器采集的电信号转换为数字信号；

所述数据处理单元用于处理从信号转换单元传输过来的数据。

作为进一步的技术方案，还包括一蓝牙发送模块，将信号转换单元的数字信号发送到手持设备中，通过手持设备调用数据处理单元。

还包括纽扣电池，为智能监测设备提供稳定持续的电源。

所述柔性压电复合传感器通过以下步骤制备得到：

1)用电子天平称取聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物粉末0.5克；

2)将聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物和20毫升N，N-二甲基甲酰胺放入锥形瓶中，进行磁力搅拌2h；

3)待搅拌完成后，将溶液倒入至平底培养皿；

4)将培养皿放入烘箱，60℃鼓风干燥；

5)成膜后进行140℃退火处理2小时；

6)将带有微结构的聚偏氟乙烯膜在5KV电压下极化处理；

7)通过磁控溅射在聚偏氟乙烯膜上下表面做电极；

8)通过旋涂机将PI旋涂上去，转速为500r/min；

9)放置在120℃的鼓风干燥箱内2h固化成膜，电极上方再覆盖一层聚酰亚胺膜用于封装。

本发明通过监测物体震动和受力来监测液滴在物品表面的弹跳过程，是一种有效且直观的方法。更重要的是该方法简单易操作，通过一些阵列布置形式可以准确的监测液滴弹跳的整个过程。

本发明设备的优点在于：基于压电传感器的高灵敏度和高精确度以及快速的响应时间(2ms)，该设备可以简单、便捷、精确的监测液滴的弹跳过程并将其记录，而且可通过手机APP展示出来。本仪器不仅体积小方便携带，而且操作简单，制造方便。可以随时随地的进行阵列布置并且展示监测结果。压电传感器的传感原理：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用压电效应制成的。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1是本发明传感器微结构图；

图2是本发明系统的流程框图；

图3是本发明所用传感器的原理图，(a)为未加压力状态，(b)为拉伸压力状态，正压电效应，外力使晶体产生电荷，(c)为压缩外力状态，图中标记为晶体1、电极2、电荷3。

具体实施方式

本实施例所述的一种液滴弹跳的智能监测设备，包括传感器单元、信号转换单元、数据处理单元、蓝牙发送模块、手机APP、纽扣电池。

传感器单元用于采集物品震动和受力信号，采用一柔性压电传感器，所述柔性压电传感器由PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜制备，正面具有微圆柱阵列，膜上、下表面覆盖一层电极，电极上方再覆盖一层PI膜用于封装。由于PVDF薄膜具有压电性，当液滴在待测物品表面上的弹跳而使压电传感器产生震动形变并受力时，继而使传感器产生一系列的电信号，其具体过程如下，当液滴滴落到待测物品表面时，PVDF薄膜产生凹陷，薄膜上表面产生正电荷，下表面产生负电荷，外部测量电路采集到正的电压信号，当液滴冲击待测物品表面到最低点时，正电压由波峰降到电压为0，当PVDF膜恢复形变时，薄膜上表面产生负电荷，下表面产生正电荷，外部测量电路采集到负的电压信号，当PVDF恢复到初始状态时，电压下降为0；这一个周期的时间为液滴与待测物品表面接触的时间，即液滴弹跳时间。由于传感器表面具有圆柱微结构阵列，传感器且具有较高的灵敏度，这就给传感器具体应用提供了可行性。

信号转换单元，包括一个微型模数转换器，其功能是将所述传感器采集的电信号转换为数字信号。所述数据处理单元是处理从信号转换单元传输过来的数据。所述蓝牙发送模块主要是将数据处理结果发送到手机APP中。所述手机APP是将数字信息转化为图像。所述纽扣电池主要是为产品提供稳定持续的电源。

所述动作规范监测方法，包括以下步骤：

1)将所述传感器单元贴在待测物品下方，根据待测物品的特性，将传感器布置成不同阵列，然后采集液滴弹跳时产生的信号；

2)将信号传输到所述信号转换单元，将电信号转换为数字信号；

3)将数字信号传输到数据处理单元中，对数据进行处理，分析；

4)将分析和配对结果通过蓝牙模块发送到手机APP中。

所述PVDF膜组件通过以下布置制备得到：

(1)用电子天平称取P(VDF-TRFE)聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物粉末0.5克；

(2)将P(VDF-TRFE)聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物和20毫升DMF(N，N-二甲基甲酰胺)放入锥形瓶中，进行磁力搅拌2h；

(3)待搅拌完成后，将溶液倒入至硅模板上；

(4)将硅模板放入烘箱，60℃鼓风干燥；

(5)成膜后进行140℃退火处理2h；

(6)将带有微结构的PVDF膜在5KV电压下极化处理。

(7)通过磁控溅射在PVDF膜上下表面做电极；

(8)通过旋涂机将PI旋涂上去，转速为500r/min；

(9)放置在120℃的鼓风干燥箱内2h固化成膜。电极上方再覆盖一层PI膜(聚酰亚胺薄膜)用于封装。

所述PVDF薄膜厚度30μm，有利于提高传感器的精度和灵敏度。所述信号转换单元和数据处理单元可单片集成。所述电源可采用纽扣电池，为设备提供稳定持续的电源。

Claims (4)

1.一种液滴弹跳智能监测设备，其特征在于：包括传感器单元，信号转换单元，数据处理单元；

传感器单元用于采集液滴弹跳信息，采用一柔性压电复合传感器，固定在待测物体的下表面，所述柔性压电复合传感器包括一个膜组件，所述膜组件由聚偏氟乙烯薄膜构成，该膜组件正面具有圆柱形阵列；由于液滴在待测物品表面上的弹跳而使其产生震动或者受力形变，继而使传感器产生一系列的电信号；

信号转换单元，包括一个微型模数转换器，将所述传感器采集的电信号转换为数字信号；

所述数据处理单元用于处理从信号转换单元传输过来的数据。

2.如权利要求1所述的一种液滴弹跳智能监测设备，其特征在于：还包括一蓝牙发送模块，将信号转换单元的数字信号发送到手持设备中，通过手持设备调用数据处理单元。

3.如权利要求1所述的一种液滴弹跳智能监测设备，其特征在于：还包括纽扣电池，为智能监测设备提供稳定持续的电源。

4.如权利要求1所述的一种液滴弹跳智能监测设备，其特征在于：所述柔性压电复合传感器通过以下步骤制备得到：

1)用电子天平称取聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物粉末0.5克；

2)将聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物和20毫升N，N-二甲基甲酰胺放入锥形瓶中，进行磁力搅拌2h；

3)待搅拌完成后，将溶液倒入至平底培养皿；

4)将培养皿放入烘箱，60℃鼓风干燥；

5)成膜后进行140℃退火处理2小时；

6)将带有微结构的聚偏氟乙烯膜在5KV电压下极化处理；

7)通过磁控溅射在聚偏氟乙烯膜上下表面做电极；

8)通过旋涂机将PI旋涂上去，转速为500r/min；

9)放置在120℃的鼓风干燥箱内2h固化成膜，电极上方再覆盖一层聚酰亚胺膜用于封装。