CN113388900B - 基于压力检测的静电纺丝针头堵塞远程调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压力检测的静电纺丝针头堵塞远程调控系统，包括收集板、高压电源、注射器、压力传感器、微量推进器、磁控装置、控制器、OPC服务器、数据库、Web服务器和客户端。压力传感器、高压电源、微量推进器、磁控装置与控制器通信。若针头处发生堵塞，则压力传感器向控制器传递电压信号，OPC服务器读取控制器的数据并传递给web服务器和数据库，Web服务器实时推送至远程客户端，客户端界面实时显示压力曲线和工艺参数值，若超过设定阈值，则驱动磁控装置上的环形磁铁带动注射器针头中放置的十字磁性疏通针往复运动，达到疏通针头的目的。数据库则实时保存了各种故障信息，便于后续分析故障原因。

Description

基于压力检测的静电纺丝针头堵塞远程调控系统

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域，特别涉及基于压力检测的针头堵塞远程在线监测及调控，属于静电纺丝机电控制领域及在线解决其针头堵塞的技术。

背景技术

静电纺丝技术是目前获得纳米直径纤维最直接有效的方法之一，目前已经广泛应用于生物医疗、锂离子电池电极、污水过滤和医用防护等领域，特别是目前新冠肺炎疫情期间，对口罩的数量和质量需求日益增长，而静电纺丝技术可以很好的满足这一需求。

长期以来，静电纺丝的产量较低，这也是限制其产业化的最主要的原因之一。目前主要有两种方法可以提高产量，一种是无针静电纺，其主要是原理是用外力对纺丝原液的液面形成扰动，达到在静电场的作用下形成泰勒锥的目的，当电压产生的静电场足够大，就可以从泰勒锥拉伸出纳米纤维，沉积到收集板表面，这种方法虽然可以有效提高产量，但是纺出来的纤维丝直径较粗且不均匀，另一种方法就是增加纺丝针头的数量，多针头同时进行静电纺丝，由毛细针头纺出来的纤维直径较细，纤维直径可以达到纳米级而且沉积分布比较均匀，但是由于针头直径非常细，且溶液经常在针头处凝固，导致针头处泰勒锥形成不稳定甚至经常发生堵塞的现象，导致纺丝中断，甚至损坏仪器。而静电纺丝的实验周期较长且易受环境干扰，部分实验溶液挥发之后对人体有一定的危害，但实验过程要由人工监督，而实验人员往往难以察觉静电纺丝实验的异常，从而导致纺丝质量不达标以及降低生产效率，浪费人力资源。

这个时候一种简单高效的远程检测并解决针头堵塞的方法就显得尤为重要，但是目前鲜有关于静电纺丝针头堵塞问题的远程调控系统。申请号为CN201810666551.X的中国发明专利公开了一种能够排除针头堵塞的静电纺丝的方法，属于静电纺丝领域，要点是：静电纺丝过程中，工业相机采集喷丝针头状态图像，并将其传输至上位机，上位机接收图像并对比，判断该工业相机采集到的图像中是否具有球状液滴图像以识别喷射针头状态，当纺丝针头堵塞时，控制液体推进压力排除针头堵塞，且控制器重新调整工作电压以及环境温湿度形成一个新的平衡的工作状态，效果是能够检测和排除针头堵塞。这种方法结构复杂，难以量产广泛使用，且操作复杂结果不稳定。

申请号为CN200880124159.7的中国发明专利公开了一种电子监控注射设备，注射设备设有弹簧辅助注射机构，其中从弹簧中释放出的能量使被保持的药筒的柱塞移动。传感器电路适于在注射期间检测速度相关的数据，从而检测异常的速度状态，例如针头堵塞状态、填装状态或者空气清除状态。这种方法主要是利用速度传感器检测柱塞的运动速度，从而判断注射器的堵塞情况，而不能在线疏通针头，另外，众所周知，实验室静电纺丝过程中，推进速度非常缓慢，平均仅为0.5ml/h，所以利用这种方法对传感器的精度要求极高，且存在判断偏差的可能，因为即使推进速度不变，针头的内壁也有可能存在溶液凝固，这个时候如果还保持同样的推进速度，溶液的初始射流速度就会增大，会大大影响纺丝质量。

发明内容

本发明的目的是：远程监控静电纺丝中溶液压力的变化，及时发现针头堵塞问题，并及时在线疏通，避免了生产停滞，也避免了设备损坏，同时节省了实验人员的大量时间，而且根据数据库中保存的大量历史实验数据，可以对针头堵塞问题与工艺参数的关系进行分析。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于压力检测的静电纺丝针头堵塞远程调控系统，其特征在于，包括收集板、高压电源、注射器、压力传感器、微量推进器、磁控装置、控制器、OPC服务器、数据库、Web服务器和客户端，其中：

注射器包括针头、针筒、胶塞和芯杆；芯杆位于针筒内，芯杆尾部露于针筒外，芯杆尾部外套设有胶塞且胶塞与芯杆之间螺纹配合，针筒前端设有针头，针头内设有十字磁性疏通针；芯杆内有空心筒，芯杆尾端设有与该空心筒相连通的导线孔；

磁控装置由控制器驱动动作，控制十字磁性疏通针在针头内沿轴向往复运动，从而达到疏通针头的目的；

压力传感器粘贴于胶塞的腔体内，用于对胶塞与被注射器推出的溶液的压力进行静态和动态测量，与压力传感器的引脚相连的导线沿着芯杆内的空心筒自导线孔引出注射器外并连接控制器，使压力传感器与控制器通信；

控制器还与高压电源、微量推进器及步进电机通信；

高压电源的正极端头连接针头、负极端头连接收集板，为纺丝工作提供稳定的高压静电场；

微量推进器推出注射器内溶液在高压静电场的作用下形成纤维丝沉积在收集板表面；当针头处因为溶液凝固变窄时，胶塞与纺丝液接触面之间的压力会增大，引起胶塞内的压力传感器发生形变，引起阻值改变，变化的阻值信号转化为变化的电压信号后传递给控制器；控制器根据压力与电压的标定关系曲线获得胶塞所受压力的变化信号，依据胶塞所受压力的变化信号来判断针头处的堵塞情况；

OPC服务器用于将接收自控制器的数据传递给Web服务器和数据库，Web服务器将数据实时推送至远程客户端，数据库则保存历史数据信息；当控制器获得的胶塞所受压力的变化信号未超过阈值时，表示针头处因为溶液凝固变窄，则控制器在一定速度区间内调整微量控制器推进速度，以达到稳定供液；当控制器获得的胶塞所受压力的变化信号超过阈值时，表示针头处发生堵塞，则客户端发出报警弹窗的同时，经由Web服务器及OPC服务器向控制器发送用于驱动磁控装置的驱动信号，控制器接收该驱动信号后，驱动磁控装置动作。

优选地，所述针头内壁有十字导轨，十字导轨与十字磁性疏通针形成相对滑动。

优选地，所述压力传感器受力会发生形变，从而改变阻值，即阻值随所述压力传感器所受压力改变，且阻值随着所受压力的增大而减小，压力传感器通过转化模块将变化的阻值信号转化为变化的电压信号。

优选地，所述胶塞内导线槽，与所述压力传感器相连的导线沿着导线槽引出所述胶塞后，再引入所述芯杆的空心筒内。

优选地，所述磁控装置，包括圆环磁铁支撑架、环形磁铁、磁控步进电机和磁控丝杠，磁控步进电机与所述控制器相连，磁控步进电机经由磁控丝杠带动圆环磁铁支撑架往复移动，环形磁铁设于圆环磁铁支撑架上。

优选地，所述环形磁铁为永磁铁或励磁线圈，所述环形磁铁产生的磁场不但对射流的范围有约束作用，而且可以细化纤维直径并提高纤维粗细的均匀度。

优选地，所述十字磁性疏通针具有磁性，可以和所述磁控装置上的环形磁铁相互吸引，使得所述十字磁性疏通针与所述环形磁铁可以实现同步运动。

优选地，所述十字磁性疏通针包括针体，针体经由弹簧与十字磁铁相连，十字磁铁卡入所述针头内壁的十字导轨中，十字磁铁可以和所述磁控装置上的环形磁铁相互吸引，使得所述十字磁性疏通针与所述环形磁铁可以实现同步运动。

优选地，所述微量推进器包括推进步进电机、推板和推进丝杠，推进步进电机与所述控制器相连，推进步进电机经由推进丝杠推动推板，进而由推板推动所述注射器，使得注射器供液。

本发明是将压力传感器直接作用于溶液的接触面，能够远程直接有效的监控推进压力的变化，从而有效改变推进速度和检测针头堵塞情况，而且当压力信号超过阈值时，可以远程在线疏通。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

可以远程直接有效地检测静电纺丝过程中针头的堵塞情况，根据胶塞和溶液之间的压力变化情况，实时调整微量推进器的速度达到稳定供液，当压力信号超过阈值时，控制磁控装置在线疏通针头，而且磁控装置的磁场可以约束射流范围、细化纤维直径和提高纤维粗细的均匀度。本发明结构简单，成本低廉，可以批量生产，方便安装和操作，节省人力物力，为彻底解决静电纺丝领域供液不稳定且针头容易堵塞的问题，提供了经验，并做好了在线疏通这一关键环节。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1所示针头与十字磁性疏通针的装配示意图；

图3为图1所示磁控装置示意图；

图4为图1所示压力传感器的装配示意图；

图5为图1所示针头处发生堵塞的远程客户端显示的压力随时间变化示意图；

图6为图1所示静电纺丝过程中在不同电压下压力随时间变化示意图；

图7为图1所示的静电纺丝过程中射流受力示意图。

图中：

1高压电源，2针筒，3胶塞，4压力传感器，5芯杆，6微量推进器；7数据库，8客户端，9web服务器，10 OPC服务器，11控制器；12接地，13接收板，14针头，15十字导轨，16十字磁性疏通针；17弹簧，18十字磁铁，19圆环磁铁，20支撑架，21丝杠，22步进电机；23导线槽，24引脚，25外螺纹，26空心筒，27导线孔，28内螺纹。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实施例公开的基于压力检测的静电纺丝针头堵塞远程调控系统，如图1所示，包括压力传感器4，将压力传感器4粘贴于胶塞3的空腔中。胶塞3的空腔内表面为贴片部位，用沾有无水酒精和丙酮的棉签反复擦拭，直至棉签不再变黑为止，确保贴片部位清洁。在贴片部位和压力传感器4的底面上均匀地涂上薄薄一层应变计粘贴剂，待粘贴剂变稠后，用镊子轻轻夹住压力传感器4的两边，贴在贴片部位。在压力传感器4表面覆盖一层聚氨乙烯薄膜，用手指沿着压力传感器4的长度方向用力挤压，挤出压力传感器4下面的气泡和多余的胶水。压力传感器4粘贴好后应有足够的粘结强度以保证与胶塞共同变形。压力传感器4和胶塞3间应有一定的绝缘度，以保证应变读数的稳定。因此，在贴好片后就需要进行干燥处理，用热风机进行加热干燥，烘烤4个小时，烘烤时应适当控制距离和温度，防止温度过高烧坏压力传感器4。将引出线焊接在压力传感器4上的引脚24，放置于胶塞3的导线槽23中，焊接时注意防止假焊。焊完后用万用表在导线另一端检查是否接通，检查无误后将引出线沿着芯杆5的空心筒26从芯杆尾端的导线孔27引出。然后将芯杆5外螺纹25与胶塞3内螺纹28紧固连接。最后将装有弹簧17的十字磁性疏通针16沿着针头14的十字导轨15放入，然后将针头14安装在针筒2上，至此压力传感器4与注射器的装配完成。

进一步地，将高压电源1的正极连接针头14，将高压电源1的负极连接接收板13，并将接收板13接地12，为纺丝工作提供稳定安全的高压静电场，保证了纺丝工作的顺利进行。

进一步地，将上述压力传感器4、高压电源1、磁控装置的步进电机22和微量推进器6分别连接控制器11并与之通信。

进一步地，采用KEPServerEX 6为与控制器11通信的OPC服务器10，基于TCP/IP协议的以太网与控制器11进行通信。OPC服务器10采用OPC通信技术实现将控制器实体对象映射为设备对象，在Visual Studio 2019中采用C#语言实现OPC Client，读取OPC服务器的数据。控制器11中采集的数据地址与OPC服务器10中每一个数据项一一对应，并且控制器中地址块中的值与其对应数据项中的value(值)保持同步。数据库7由SQL Server数据库管理系统组成，OPC服务器10与控制器11建立网口连接读取数据并实时将数据发送到数据库。客户端监控页面中实时数据查看的数据量有限，而当需要对数据进一步分析研究的时候，需要采用数据库技术，首先确定监控系统所用到的数据信息，将其划分为各个模块后通过实体属性关系图的形式展示出来，最后基于E-R关系图设计数据库表。OPC服务器10与控制器11建立网口连接读取数据并实时将数据发送到数据库7。

进一步地，设计web服务器9，其主要由OPC客户端、SignalR服务组件、Controller控制器组成。在基于ASP.NET Core框架下采用SignalR技术，实现设备监控信息由web服务器9实时推送至客户端8，其监控信息主要包括：控制器11与OPC服务器10连接状态、OPC服务器10与OPC客户端的通信状态、控制器采集的模拟量信号和开关量信号的监控，如实时压力值、微量推进器6的电机转速与正反转状态、施加在针头处电压、磁控装置的运动速度。

客户端主要实现用户得到登陆认证权限后，能够从网页端读取监控信息以及对监控系统特定功能进行操作。

在静电纺丝过程中，溶液可能会在针头14处堆积凝固，若此时微量推进器6推进速度不变，随着注射器内液体压强的增大，胶塞3与溶液之间接触面的压力就会随之增大，胶塞3的形变增大，而压力传感器4紧密粘贴在胶塞3的空腔内，芯杆5又与胶塞3螺纹紧固连接，这就保证了压力传感器4会与胶塞3同步发生形变，所以随着胶塞3的形变量的增大，压力传感器4的形变就会增大，导致阻值变化，通过转换模块，变化的阻值信号会转化成变化的电压信号，电压信号通过引脚连接着的导线传递给针筒2外的控制器11，控制器11接收压力传感器4传来的电压信号，实时推送至远程客户端界面，如图6所示。

进一步地，若针头14发生堵塞，客户端界面如图5所示，此时若增大微量推进器6的推进速度，虽然会保证纺丝进行，但是会影响纺丝质量。所以当压力超过设定阈值，客户端弹出报警窗口，同时通过web服务器9和控制器11控制磁控装置的支撑架20带动环形磁铁19吸引针头内的十字磁性疏通针16沿着十字导轨15往复运动疏通堵塞针头。具体而言，web服务器9发送控制信号给控制器11，控制器11接受到该控制信号后，驱动步进电机22，使得步进电机22经由丝杠21带动其上的支撑架20往复运动，进而由支撑架20带动环形磁铁19往复运动。十字磁铁18经由弹簧17与十字磁性疏通针16相连，十字磁铁18与环形磁铁19相配合。当环形磁铁19往复运动时，经由十字磁铁18带动十字磁性疏通针16往复运动。

具体原理如图7所示，对射流中速度为v的某点进行受力分析，因射流为纳米级，所以该点所受重力可以忽略不计，该点同时受到磁场力Fb、电场力Fe、粘性阻力τ的作用，则磁场力Fb和粘性阻力τ的分量充当向心力且指向轴线方向，因此，在同等情况下，磁场分布越集中，对射流的约束作用越强，损失的能量越小，射流可以充分拉伸，从而得到更细的纤维直径，又因为引入磁场对射流半径越大、射流速度越快的区域作用越明显，因为也保证了沉积到收集板上的纤维直径粗细分布的均匀性。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于压力检测的静电纺丝针头堵塞远程调控系统，其特征在于，包括收集板、高压电源、注射器、压力传感器、微量推进器、磁控装置、控制器、OPC服务器、数据库、Web服务器和客户端，其中：

注射器包括针头、针筒、胶塞和芯杆；芯杆位于针筒内，芯杆尾部露于针筒外，芯杆前端外套设有胶塞且胶塞与芯杆之间螺纹配合，针筒前端设有针头，针头内设有十字磁性疏通针；芯杆内有空心筒，芯杆尾端设有与该空心筒相连通的导线孔；

磁控装置由控制器驱动动作，控制十字磁性疏通针在针头内沿轴向往复运动，从而达到疏通针头的目的；针头内壁有十字导轨，十字导轨与十字磁性疏通针形成相对滑动；所述磁控装置，包括圆环磁铁支撑架、环形磁铁、磁控步进电机和磁控丝杠，磁控步进电机与所述控制器相连，磁控步进电机经由磁控丝杠带动圆环磁铁支撑架往复移动，环形磁铁设于圆环磁铁支撑架上；所述十字磁性疏通针具有磁性，可以和所述磁控装置上的环形磁铁相互吸引，使得所述十字磁性疏通针与所述环形磁铁可以实现同步运动；所述十字磁性疏通针包括针体，针体经由弹簧与十字磁铁相连，十字磁铁卡入所述针头内壁的十字导轨中，十字磁铁可以和所述磁控装置上的环形磁铁相互吸引，使得所述十字磁性疏通针与所述环形磁铁可以实现同步运动；

压力传感器粘贴于胶塞的腔体内，用于对胶塞与被注射器推出的溶液的压力进行静态和动态测量，与压力传感器的引脚相连的导线沿着芯杆内的空心筒自导线孔引出注射器外并连接控制器，使压力传感器与控制器通信；

控制器还与高压电源、微量推进器及步进电机通信；

高压电源的正极端头连接针头、负极端头连接收集板，为纺丝工作提供稳定的高压静电场；

微量推进器推出注射器内溶液在高压静电场的作用下形成纤维丝沉积在收集板表面；当针头处因为溶液凝固变窄时，胶塞与纺丝液接触面之间的压力会增大，引起胶塞内的压力传感器发生形变，引起阻值改变，变化的阻值信号转化为变化的电压信号后传递给控制器；控制器根据压力与电压的标定关系曲线获得胶塞所受压力的变化信号，依据胶塞所受压力的变化信号来判断针头处的堵塞情况；OPC服务器用于将接收自控制器的数据传递给Web服务器和数据库，Web服务器将数据实时推送至远程客户端，数据库则保存历史数据信息；当控制器获得的胶塞所受压力的变化信号未超过阈值时，表示针头处因为溶液凝固变窄，则控制器在一定速度区间内调整微量控制器推进速度，以达到稳定供液；当控制器获得的胶塞所受压力的变化信号超过阈值时，表示针头处发生堵塞，则客户端发出报警弹窗的同时，经由Web服务器及OPC服务器向控制器发送用于驱动磁控装置的驱动信号，控制器接收该驱动信号后，驱动磁控装置动作。

2.根据权利要求1所述的一种基于压力检测的静电纺丝针头堵塞远程调控系统，其特征在于，所述压力传感器受力会发生形变，从而改变阻值，即阻值随所述压力传感器所受压力改变，且阻值随着所受压力的增大而减小，压力传感器通过转化模块将变化的阻值信号转化为变化的电压信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于压力检测的静电纺丝针头堵塞远程调控系统，其特征在于，所述胶塞内导线槽，与所述压力传感器相连的导线沿着导线槽引出所述胶塞后，再引入所述芯杆的空心筒内。

4.根据权利要求1所述的一种基于压力检测的静电纺丝针头堵塞远程调控系统，其特征在于，所述环形磁铁为永磁铁或励磁线圈，所述环形磁铁产生的磁场不但对射流的范围有约束作用，而且可以细化纤维直径并提高纤维粗细的均匀度。

5.根据权利要求1所述的一种基于压力检测的静电纺丝针头堵塞远程调控系统，其特征在于，所述微量推进器包括推进步进电机、推板和推进丝杠，推进步进电机与所述控制器相连，推进步进电机经由推进丝杠推动推板，进而由推板推动所述注射器，使得注射器供液。

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