CN110231344A - 一种膜电极缺陷快速筛拣方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膜电极缺陷快速筛拣方法及设备。其中设备包括样品放置平台、检测器、三轴移动机构；所述检测器包括朝下设置的激光测距仪和朝下设置的图像采集装置，该检测器与上位机通信连接。方法包括步骤：A.把待测膜电极放置在样品放置平台上；B.利用激光测距仪对待测膜电极的整个上表面进行测距；C.一旦检测到某位置的距离值与标称距离值的偏差≥预设的允差值，则记录该位置的坐标值；D.利用图像采集装置对记录的位置进行图像采集并发送至上位机进行图像分析以确认缺陷的类型；E.把待测膜电极翻转并重复步骤A～D。该方法及设备能够快速方便地检测出膜电极的表面缺陷。

Description

一种膜电极缺陷快速筛拣方法及设备

技术领域

本发明涉及燃料电池检测技术领域，特别涉及一种膜电极缺陷快速筛拣方法及设备。

背景技术

燃料电池能够将燃料中的化学能直接转化成电能，供给用电单元。燃料电池按照工作温度可以分为低温燃料电池、中温燃料电池和高温燃料电池。其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane fuel cell，简称PEMFC）是低温燃料电池的重要组成部分，其主要特点包括：清洁、效率高、能量密度大、输出功率可以根据需求进行自主调节，应用范围广等优点。PEMFC燃料电池一般包括离子交换膜、催化剂、密封、双极板、集电板、端板等主要结构，其中离子交换膜和催化剂以及密封结构组成了燃料电池中发生电化学反应的主要场所的部件——膜电极。膜电极包括结构部件包括：离子交换膜、阳极催化剂、阴极催化剂、阳极扩散层和阴极扩散层以及密封结构。

膜电极制备过程中主要流程是将催化剂材料均匀的分布到离子交换膜上面，形成催化层。催化剂材料是粉末状材料，而离子交换膜是一种几微米到几十微米甚至上百微米的薄膜材料，比较柔软，因此在催化剂涂覆、喷涂过程中容易产生褶皱、变形等变化。这种褶皱以及变形会影响膜电极在工作过程中的有效催化面积以及电池内部的均匀性，对电流密度的均一性在成一定的破坏作用，影响电流的输出稳定性，同时容易在褶皱变形处容易造成电压聚集区域引起催化剂材料的降解，最终影响燃料电池的寿命。

目前的燃料电池膜电极缺陷检测技术主要集中在对膜电极内部缺陷的检测，特别是针孔类缺陷检测。固然这种缺陷会对燃料电池性能起到致命性的伤害，但是膜电极表面的情况也会对燃料电池性能起到决定性的作用，特别是当一些褶皱、变形以及杂质颗粒等存在会对电流密度的均匀分布造成破坏性影响，最终影响到燃料电池的性能以及使用寿命。通常针对燃料电池膜电极表面缺陷检测方法主要还是通过肉眼检测，这种通过肉眼观察、评判分析MEA表面的缺陷情况的方法相对原始、并且消耗大量的人力以及时间成本，生产效率低下，并且人工检测分辨率低，容易出现漏检，误检等情况的发生。

褶皱、变形以及杂质颗粒等表面缺陷均会引起膜电极在厚度方向的尺寸变化，而一般在膜电极上面出现针孔等缺陷的同时也会伴随有厚度方向的尺寸变化，因此可通过检测膜电极厚度变化情况来实现膜电极表面以及内部缺陷的快速、准确的检测。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供膜电极缺陷快速筛拣方法及设备，能够快速方便地检测出膜电极的表面缺陷。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种膜电极缺陷快速筛拣设备，包括设置有面光源的样品放置平台，设置在样品放置平台上方的检测器，以及用于驱动检测器沿X、Y、Z三个方向移动的三轴移动机构；所述检测器包括朝下设置的激光测距仪和朝下设置的图像采集装置，该检测器与上位机通信连接。

所述的膜电极缺陷快速筛拣设备中,所述三轴移动机构的在X、Y、Z三个方向上的移动控制精度均不大于0.02mm。

一种三轴移动机构的结构如下：所述三轴移动机构包括沿X向延伸并与检测器滑动连接的滑轨，驱动检测器在滑轨上移动的第一X轴驱动组件，两根沿Z向延伸并可沿Y向移动地设置在样品放置平台上的立槽，以及驱动两根立槽同步移动的第一Y轴驱动组件；滑轨的两端分别滑动设置在两个立槽中，三轴移动机构还包括用于驱动滑轨两端同步移动的第一Z轴驱动组件。

另一种三轴移动机构的结构如下：所述的膜电极缺陷快速筛拣设备还包括一个壳体，所述三轴移动机构包括两根对称地设置在壳体内壁上的Y向滑槽，沿X向延伸且两端分别滑动设置在两根Y向滑槽中的X向导轨，驱动X向导轨两端同步移动的第二Y向驱动组件，滑动连接在X向导轨上的滑块，驱动该滑块移动的第二X向驱动组件，固定在滑块上且与检测器滑动连接的Z向滑槽，以及驱动检测器移动的第二Z轴驱动组件。

一种基于所述膜电极缺陷快速筛拣设备的膜电极缺陷快速筛拣方法，包括以下步骤：

A.把待测膜电极放置在样品放置平台上，令其长度方向和宽度方向分别与X、Y方向平行；

B.利用激光测距仪对待测膜电极的整个上表面进行测距；

C.步骤B中，一旦检测到某位置的距离值与标称距离值的偏差≥预设的允差值，则记录该位置的坐标值；

D. 开启面光源，并利用图像采集装置对步骤C中记录的位置进行图像采集并发送至上位机进行图像分析以确认缺陷的类型；

E.把待测膜电极翻转并重复步骤A～D。

所述的膜电极缺陷快速筛拣方法的步骤B中，由三轴移动机构驱动激光测距仪沿蛇形路径移动从而实现对待测膜电极的整个上表面的测距。

所述的膜电极缺陷快速筛拣方法中,在步骤A前还包括校准步骤：

A1. 把标准膜电极放置在样品放置平台上，令其长度方向和宽度方向分别与X、Y方向平行；

A2. 利用激光测距仪对标准膜电极的整个上表面进行测距，获得各个位置的标称距离值。

所述的膜电极缺陷快速筛拣方法的步骤C中的允差值为10%。

所述的膜电极缺陷快速筛拣方法的步骤D中对同一位置采集多个不同放大倍率的图像信息。

所述的膜电极缺陷快速筛拣方法的步骤D包括以下步骤：

D1.由上位机通过视觉处理软件对图像进行初步分析，并对各位置的缺陷类型进行预标定；

D2.通过人工复检最终确认各位置的缺陷类型。

有益效果：

本发明提供的一种膜电极缺陷快速筛拣方法及设备，由三轴移动机构驱动激光测距仪和图像采集装置移动，利用激光测距仪对膜电极整个表面进行测距，从而可根据距离变化情况快速、准确地发现具有缺陷的位置，再由图像采集装置对缺陷位置进行图像采集，以供上位机进行图像分析，从而可快速确认缺陷类型。可见，该膜电极缺陷快速筛拣方法及设备能够快速方便地检测出膜电极的表面缺陷。

附图说明

图1为本发明提供的一种膜电极缺陷快速筛拣设备的结构示意图。

图2为本发明提供的另一种膜电极缺陷快速筛拣设备的结构示意图。

图3为本发明提供的一种膜电极缺陷快速筛拣方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

为了便于描述，本文中规定，样品放置平台1的长度方向为X向，样品放置平台1的宽度方向为Y向，垂直于X向和Y向的方向为Z向。

请参阅图1-2，本发明提供的一种膜电极缺陷快速筛拣设备，包括设置有面光源的样品放置平台1，设置在样品放置平台上方的检测器2，以及用于驱动检测器沿X、Y、Z三个方向移动的三轴移动机构；所述检测器2包括朝下设置的激光测距仪2.1和朝下设置的图像采集装置2.2，该检测器2与上位机通信连接。

进行检测时，可把膜电极放置在样品放置平台1上，由三轴移动机构驱动激光测距仪2.1和图像采集装置2.2移动，利用激光测距仪对膜电极整个表面进行测距，距离的变化代表膜电极厚度的变化情况，从而可根据距离变化情况快速、准确地发现具有缺陷的位置，再由图像采集装置对缺陷位置进行图像采集，以供上位机进行图像分析，从而可快速确认缺陷类型。

其中，所述激光测距仪2.1为现有技术，可从市场上直接购买得到；所述图像采集装置2.2可采用CCD相机。

在一些实施方式中，所述样品放置平台1的面光源包括设置在样品放置平台1内的光源阵列（阵列排布的LED灯或其它灯）和设置在光源阵列上方的匀光板，样品放置平台1的顶部可透光。该结构能够保证样品放置平台1发出的背景光各处均匀，以避免由于背景光不均匀而导致检测结果错误。

优选的,所述三轴移动机构的在X、Y、Z三个方向上的移动控制精度均不大于0.02mm。进行缺陷位置的检测时，要求激光测距仪2.1对膜电极的整个表面进行扫描，可沿蛇形路线移动从而实现对整个表面的扫描，例如：假设激光束的宽度为b，激光测距仪2.1沿X向（或Y向）以移动距离b步进，并于Y向（或X向）往复移动。而激光测距仪2.1的激光束的宽度b是比较小的，限定该移动控制精度可保证可靠地对整个表面的扫描。

所述三轴移动机构的结构多种多样，只要能够驱动检测器2沿X、Y、Z三个方向移动并达到所述移动控制精度即可，例如通过齿条传动的三轴移动机构、通过同步带传动的三轴移动机构、通过丝杆传动的三轴移动机构等。下面的实施例一和实施例二是三轴移动机构的其中两种可行方案。

实施例一

见图1，所述三轴移动机构包括沿X向延伸并与检测器2滑动连接的滑轨3，驱动检测器2在滑轨3上移动的第一X轴驱动组件4，两根沿Z向延伸并可沿Y向移动地设置在样品放置平台1上的立槽5，以及驱动两根立槽5同步移动的第一Y轴驱动组件6；滑轨3的两端分别滑动设置在两个立槽5中，三轴移动机构还包括用于驱动滑轨3两端同步移动的第一Z轴驱动组件7。

其中，第一X轴驱动组件4、第一Y轴驱动组件6、第一Z轴驱动组件7均为丝杆传动的驱动组件，其控制精度较高。

具体的，第一X轴驱动组件4包括电机Ⅰ4.1和沿X向延伸的丝杆Ⅰ4.2，电机Ⅰ固定在滑轨3的一端并用于驱动丝杆Ⅰ转动，所述检测器2与丝杆Ⅰ螺纹传动连接。电机Ⅰ优选为带减速器的伺服电机。

第一Y轴驱动组件6包括两根沿Y向延伸的丝杆Ⅱ6.1、一根蜗杆Ⅰ6.2和用于驱动蜗杆Ⅰ转动的电机Ⅱ6.3；所述样品放置平台1的两端各设置有一个滑槽1.1，所述丝杆Ⅱ6.1设置在对应的滑槽1.1中，所述立槽5的下端滑动设置在滑槽1.1中并与丝杆Ⅱ螺纹传动连接；每根丝杆Ⅱ的端部通过一个蜗轮Ⅰ（图中没画）与所述蜗杆Ⅰ传动连接。通过蜗杆Ⅰ和两个蜗轮Ⅰ来带动两根丝杆Ⅱ同步转动，可实现两根立槽5的同步移动，具有较高的移动控制精度。电机Ⅱ优选为带减速器的伺服电机。

第一Z轴驱动组件7包括两根分别沿Z向设置在两个立槽5中的丝杆Ⅲ7.1，设在丝杆Ⅲ顶部的蜗轮Ⅱ7.2，一根与两个蜗轮Ⅱ啮合的蜗杆Ⅱ7.3，以及用于驱动蜗杆Ⅱ转动的电机Ⅲ7.4；所述滑轨3的两端分别与两根丝杆Ⅲ螺纹传动连接。通过蜗杆Ⅱ和两个蜗轮Ⅱ来带动两根丝杆Ⅲ同步转动，可实现滑轨3的两端的同步移动，使滑轨3始终与X向平行，具有较高的移动控制精度。电机Ⅲ优选为带减速器的伺服电机。

使用该三轴移动机构的膜电极缺陷快速筛拣设备的结构简单，重量较小，方便搬运。

实施例二

见图2，所述的膜电极缺陷快速筛拣设备还包括一个壳体8，所述三轴移动机构包括两根对称地设置在壳体8内壁上的Y向滑槽9，沿X向延伸且两端分别滑动设置在两根Y向滑槽9中的X向导轨10，驱动X向导轨两端同步移动的第二Y向驱动组件11，滑动连接在X向导轨10上的滑块12，驱动该滑块移动的第二X向驱动组件13，固定在滑块12上且与检测器2滑动连接的Z向滑槽14，以及驱动检测器2移动的第二Z轴驱动组件15。

其中，第二X轴驱动组件13、第二Y轴驱动组件11、第二Z轴驱动组件15均为丝杆传动的驱动组件，其控制精度较高。

具体的，第二X轴驱动组件13包括电机Ⅳ13.1和沿X向延伸的丝杆Ⅳ13.2，电机Ⅳ固定在X向导轨10的一端并用于驱动丝杆Ⅳ转动，所述滑块12与丝杆Ⅳ螺纹传动连接。电机Ⅳ优选为带减速器的伺服电机。

所述第二Y轴驱动组件11包括两根分别沿Y向设置在Y向滑槽9的丝杆Ⅴ11.1，设置在丝杆Ⅴ后端的蜗轮Ⅲ，一根与两个蜗轮Ⅲ啮合的蜗杆Ⅲ，以及用于驱动蜗杆Ⅲ转动的电机Ⅴ；所述X向导轨10的两端分别与两根丝杆Ⅴ螺纹传动连接。通过蜗杆Ⅲ和两个蜗轮Ⅲ来带动两根丝杆Ⅴ同步转动，可实现X向导轨10的两端的同步移动，使X向导轨10始终与X向平行，具有较高的移动控制精度。电机Ⅴ优选为带减速器的伺服电机。此处，由于电机Ⅴ、蜗轮Ⅲ、蜗杆Ⅲ均设置在壳体8的背面，因此图2中看不见。

第二Z轴驱动组件15包括沿Z向设置在Z向滑槽14中的丝杆Ⅵ15.1，以及用于驱动丝杆Ⅵ转动的电机Ⅵ15.2；所述检测器2与丝杆Ⅵ螺纹传动连接。电机Ⅵ优选为带减速器的伺服电机。

使用该三轴移动机构的膜电极缺陷快速筛拣设备的传动结构简单，且结构强度较大。

见图3，本发明还提高一种基于所述膜电极缺陷快速筛拣设备的膜电极缺陷快速筛拣方法，包括以下步骤：

A.把待测膜电极放置在样品放置平台1上，令其长度方向和宽度方向分别与X、Y方向平行。

此处，可在样品放置平台上设置定位标记或定位凸起，以便待测膜电极快速摆放对齐。

B.利用激光测距仪2.1对待测膜电极的整个上表面进行测距。

具体的，由三轴移动机构驱动激光测距仪2.1沿蛇形路径移动从而实现对待测膜电极的整个上表面的测距：假设激光束的宽度为b，待测膜电极的长度为m，宽度为n，激光测距仪2.1先对准待测膜电极的一个角，然后沿Y向移动距离n（或X向移动距离m），接着沿X向步进一段距离b（或Y向步进一段距离b），然后沿Y向反向移动距离n（或X向反向移动距离m），如此循环，直到完成整个表面的扫描。该方法的控制逻辑简单，且能够保证膜电极上表面各处均被检测到。

优选的，每次扫描完后，激光测距仪2.1回到初始位置（定位标记或定位凸起对正），避免每次检测均需要校正零位。

C.步骤B中，一旦检测到某位置的距离值与标称距离值的偏差≥预设的允差值，则记录该位置的坐标值。

由于褶皱、变形以及杂质颗粒等表面缺陷均会引起膜电极在厚度方向的尺寸变化，而一般在膜电极上面出现针孔等缺陷的同时也会伴随有厚度方向的尺寸变化，通过激光测距可检测膜电极各处的厚度方向的尺寸变化情况，从而可快速、准确地发现缺陷并检测出缺陷的位置。

标称距离值即无缺陷膜电极对应位置的距离值，可通过表格的方式直接录入，或在步骤A前通过采用标准膜电极校准获得，校准的具体步骤为：

A1. 把标准膜电极放置在样品放置平台1上，令其长度方向和宽度方向分别与X、Y方向平行；

A2. 利用激光测距仪2.1对标准膜电极的整个上表面进行测距，获得各个位置的标称距离值。

具体的，所述允差值为10%，据研究发现，采用该允差值作为阈值，缺陷漏检的几率低于5%，具有较高的发现率。

记录的缺陷位置坐标可实时传送到上位机进行存储，也可先存储在本地再一次性传送至上位机。

D. 开启面光源，并利用图像采集装置2.2对步骤C中记录的位置进行图像采集并发送至上位机进行图像分析以确认缺陷的类型。

通过面光源可提供背景光，使拍摄到的图像清晰明亮，便于图像分析。

进行图像采集时，由上位机根据记录的位置通过三轴移动机构驱动图像采集装置2.2移动，使其图像取样中心点对准目标位置。

为了提高图像分析的精确度，可对同一位置采集多个不同放大倍率的图像信息。通过对多个不同放大倍率的图像的综合分析，可降低错判几率。

对缺陷类型的确认过程包括步骤：

D1.由上位机通过视觉处理软件对图像进行初步分析，并对各位置的缺陷类型进行预标定；

D2.通过人工复检最终确认各位置的缺陷类型。

所述预标定即把位置坐标和初步分析得到的缺陷类型关联起来，可形成表格，也可在图像中对应位置直接标出缺陷类型。

先通过视觉处理软件进行初步分析可提高工作效率，再通过人工复检可降低出错几率，提高检测结果的准确性。

E.把待测膜电极翻转并重复步骤A～D。

检测完膜电极的一面，以同样的流程再检测膜电极的另一面，可大大降低流出产品的不良率。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，其方案与本发明实质上相同。

Claims (10)

1.一种膜电极缺陷快速筛拣设备，其特征在于，包括设置有面光源的样品放置平台，设置在样品放置平台上方的检测器，以及用于驱动检测器沿X、Y、Z三个方向移动的三轴移动机构；所述检测器包括朝下设置的激光测距仪和朝下设置的图像采集装置，该检测器与上位机通信连接。

2.根据权利要求1所述的膜电极缺陷快速筛拣设备，其特征在于,所述三轴移动机构的在X、Y、Z三个方向上的移动控制精度均不大于0.02mm。

3.根据权利要求2所述的膜电极缺陷快速筛拣设备，其特征在于,所述三轴移动机构包括沿X向延伸并与检测器滑动连接的滑轨，驱动检测器在滑轨上移动的第一X轴驱动组件，两根沿Z向延伸并可沿Y向移动地设置在样品放置平台上的立槽，以及驱动两根立槽同步移动的第一Y轴驱动组件；滑轨的两端分别滑动设置在两个立槽中，三轴移动机构还包括用于驱动滑轨两端同步移动的第一Z轴驱动组件。

4.根据权利要求2所述的膜电极缺陷快速筛拣设备，其特征在于,还包括一个壳体，所述三轴移动机构包括两根对称地设置在壳体内壁上的Y向滑槽，沿X向延伸且两端分别滑动设置在两根Y向滑槽中的X向导轨，驱动X向导轨两端同步移动的第二Y向驱动组件，滑动连接在X向导轨上的滑块，驱动该滑块移动的第二X向驱动组件，固定在滑块上且与检测器滑动连接的Z向滑槽，以及驱动检测器移动的第二Z轴驱动组件。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的膜电极缺陷快速筛拣设备的膜电极缺陷快速筛拣方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.把待测膜电极放置在样品放置平台上，令其长度方向和宽度方向分别与X、Y方向平行；

B.利用激光测距仪对待测膜电极的整个上表面进行测距；

C.步骤B中，一旦检测到某位置的距离值与标称距离值的偏差≥预设的允差值，则记录该位置的坐标值；

D.开启面光源，并利用图像采集装置对步骤C中记录的位置进行图像采集并发送至上位机进行图像分析以确认缺陷的类型；

E.把待测膜电极翻转并重复步骤A～D。

6.根据权利要求5所述的膜电极缺陷快速筛拣方法，其特征在于,所述步骤B中，由三轴移动机构驱动激光测距仪沿蛇形路径移动从而实现对待测膜电极的整个上表面的测距。

7.根据权利要求5所述的膜电极缺陷快速筛拣方法，其特征在于,在步骤A前还包括校准步骤：

A1. 把标准膜电极放置在样品放置平台上，令其长度方向和宽度方向分别与X、Y方向平行；

A2. 利用激光测距仪对标准膜电极的整个上表面进行测距，获得各个位置的标称距离值。

8.根据权利要求5所述的膜电极缺陷快速筛拣方法，其特征在于,步骤C中的允差值为10%。

9.根据权利要求5所述的膜电极缺陷快速筛拣方法，其特征在于,步骤D中对同一位置采集多个不同放大倍率的图像信息。

10.根据权利要求9所述的膜电极缺陷快速筛拣方法，其特征在于,步骤D包括以下步骤：

D1.由上位机通过视觉处理软件对图像进行初步分析，并对各位置的缺陷类型进行预标定；

D2.通过人工复检最终确认各位置的缺陷类型。