CN114295030B - 氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置及其测试方法 - Google Patents

氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置及其测试方法，涉及燃料电池和精密测量的技术领域。氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置包括测量平台、测量轮、随轮移动件、光栅传感器、控制器和显示屏；测量平台的上下两侧均设置有随轮移动件，两个随轮移动件相对的一端均设置有测量轮，且两个测量轮能够相互抵接；随轮移动件上设置有光栅传感器，光栅传感器与控制器连接，显示屏与控制器连接。达到了能够精确检测质子膜几何数据的技术效果。

Description

氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及燃料电池和精密测量技术领域，具体而言，涉及氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置及其测试方法。
背景技术
氢燃料电池质子交换膜作为氢燃料电池的核心材料，其厚度、均匀性、粗糙度等几何量直接影响着燃料电池工作的效能和稳定性。目前，氢燃料电池质子交换膜仅有一些简单的测量方法：比如采用高精度位移传感器，用离线的方式，进行单一几何量的测量，氢燃料电池质子膜测厚仪就是其中典型的一种测量手段，该方法测量的几何量单一，仅能测厚，而且不能在线测量，大大降低了测量效率，不能满足批量制造时的在线和多任务测量需求；比如采用超声、激光等非接触在线测量装置，虽然可以进行在线测量但由于超声测量原理的精度不够，很难满足氢燃料电池质子交换膜的精度；激光也由于质子膜的半透明特性，对激光信号产生了影响，也很难进行准确测量相关的几何量。
因此，提供一种能够精确检测质子膜几何数据的氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置及其测试方法成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置及其测试方法，以缓解现有技术中无法精确检测质子膜几何数据的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置，包括测量平台、测量轮、随轮移动件、光栅传感器、控制器和显示屏；
所述测量平台的上下两侧均设置有所述随轮移动件，两个所述随轮移动件相对的一端均设置有测量轮，且两个所述测量轮能够相互抵接；
所述随轮移动件上设置有光栅传感器，所述光栅传感器与所述控制器连接，所述显示屏与所述控制器连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述测量平台的上下两侧均设置有用于固定所述随轮移动件的固定座；
所述随轮移动件远离所述测量轮的一端固定在所述固定座上。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述随轮移动件包括移动杆和弹性件；
所述移动杆的一端与所述测量轮连接，另一端通过所述弹性件与所述固定座连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述固定座上设置有用于为所述移动杆移动导向的导向件。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述导向件采用导向杆；
所述移动杆上设置有连接杆，所述连接杆上设置有直线轴承，所述直线轴承滑套在所述导向杆上。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述弹性件采用弹簧。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述移动杆与所述测量轮连接的一端设置有用于连接测量轮的连接座，所述测量轮通过销轴安装在所述连接座上。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述测量轮采用金属滚轮。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述光栅传感器包括光栅尺和测量头；
所述测量头设置在所述固定座上，所述光栅尺设置在所述移动杆上；
所述测量与所述控制器连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述控制器包括数据处理模块和数据交换模块；
所述数据处理模块通过线缆与所述光栅传感器连接，所述数据处理模块通过线缆与所述数据交换模块连接，所述数据交换模块通过线缆与显示屏连接。
第二方面，本发明实施例提供了一种测试方法，包括以下步骤：
将待测质子膜移送至测量平台上；
使待测质子膜匀速通过两个随轮移动件，两个随轮移动件上的光栅传感器将测得信息传输给控制器，通过控制器计算得到待测质子膜的实时厚度。
有益效果：
本发明实施例提供了一种氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置，包括测量平台、测量轮、随轮移动件、光栅传感器、控制器和显示屏；测量平台的上下两侧均设置有随轮移动件，两个随轮移动件相对的一端均设置有测量轮，且两个测量轮能够相互抵接；随轮移动件上设置有光栅传感器，光栅传感器与控制器连接，显示屏与控制器连接。
在具体使用时，流水线生产的质子膜被传送带传输到测量平台上，然后沿着测量平台移动至两个测量轮处，当质子膜通过两个测量轮时，测量平台上下两侧的测量轮会分别向上下两侧移动，从而带动随轮移动件移动，进而触发设置在随轮移动件上的光栅传感器，两个光栅传感器能够检测到随轮移动件的移动量，通过换算可以得知质子膜的厚度，采用两个光栅传感器进行测量，能够消除测量平台表面、人为操作或者机械应力的影响，并且通过连续的测量可以得知质子膜的粗糙度和均匀度，通过专业的设置，可以在生产过程中检测质子膜的厚度、粗糙度和均匀度，且精度较高。
本发明实施例提供了一种测试方法，包括以下步骤：将待测质子膜移送至测量平台上；使待测质子膜匀速通过两个随轮移动件，两个随轮移动件上的光栅传感器将测得信息传输给控制器，通过控制器计算得到待测质子膜的实时厚度。本实施例提供的测试方法与现有技术相比具有上述优势，在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置的结构示意图。
图标：
110-的固定座；
200-测量轮；
300-随轮移动件；310-移动杆；311-连接座；312-销轴；320-弹性件；
400-光栅传感器；410-光栅尺；420-测量头；
510-数据处理模块；520-数据交换模块；
600-显示屏；
700-质子膜。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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”、“轴向”、“径向”、“周向”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该特征。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供了一种氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置，包括测量平台、测量轮200、随轮移动件300、光栅传感器400、控制器和显示屏600；测量平台的上下两侧均设置有随轮移动件300，两个随轮移动件300相对的一端均设置有测量轮200，且两个测量轮200能够相互抵接；随轮移动件300上设置有光栅传感器400，光栅传感器400与控制器连接，显示屏600与控制器连接。
在具体使用时，流水线生产的质子膜700被传送带传输到测量平台上，然后沿着测量平台移动至两个测量轮200处，当质子膜700通过两个测量轮200时，测量平台上下两侧的测量轮200会分别向上下两侧移动，从而带动随轮移动件300移动，进而触发设置在随轮移动件300上的光栅传感器400，两个光栅传感器400能够检测到随轮移动件300的移动量，通过换算可以得知质子膜700的厚度，采用两个光栅传感器400进行测量，能够消除测量平台表面、人为操作或者机械应力的影响，并且通过连续的测量可以得知质子膜700的粗糙度和均匀度，通过专业的设置，可以在生产过程中检测质子膜700的厚度、粗糙度和均匀度，且精度较高。
具体的，测量平台位于测量轮200处开设有缺口，以便两个测量轮200能够相互抵接接触，并且使得质子膜700能够被传送至两个测量轮200内。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，测量平台的上下两侧均设置有用于固定随轮移动件300的固定座110；随轮移动件300远离测量轮200的一端固定在固定座上。
具体的，在测量平台上还设置有用于安装随轮移动件300的固定座110，固定座固定设置在测量平台上。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，随轮移动件300包括移动杆310和弹性件320；移动杆310的一端与测量轮200连接，另一端通过弹性件320与固定座连接。
具体的，移动杆310的一端与测量轮200连接，另一端通过弹性件320与固定座连接，从而使得移动杆310能够受测量轮200驱动上下移动，当没有测量时，在弹性件320的作用下，两个测量轮200能够相互抵接在一起。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，固定座上设置有用于为移动杆310移动导向的导向件。
具体的，在固定座上设置有导向件，通过导向件为移动杆310导向，避免移动杆310在移动时出现斜向方向移动，降低测量误差。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，导向件采用导向杆；移动杆310上设置有连接杆，连接杆上设置有直线轴承，直线轴承滑套在导向杆上。
具体的，在移动杆310上设置与连接杆，在连接杆远离移动杆310的一端设置有直线轴承，通过直线轴承与导向杆的配合为移动杆310的移动进行导向。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，弹性件320采用弹簧。
具体的，弹性件320可以采用弹簧。另外，本领域技术人员可以根据实际需求自行选择弹性件320，在此不再进行赘述。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，移动杆310与测量轮200连接的一端设置有用于连接测量轮200的连接座311，测量轮200通过销轴312安装在连接座311上。
具体的，在移动杆310的端部设置有连接座311，测量轮200可以通过销轴312安装在连接座311上。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，测量轮200采用金属滚轮。
具体的，测量轮200采用金属轮，通过这样的设置，在测量时保证测量轮200不会发生变形，从而提高测量精度。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，光栅传感器400包括光栅尺410和测量头420；测量头420设置在固定座上，光栅尺410设置在移动杆310上；测量与控制器连接。
具体的，将光栅尺410设置在移动杆310上，将测量头420设置在固定座上，当移动杆310受测量轮200驱动移动时，设置在固定座上的测量头420能够测得位移数据。
参见图1所示，本实施例的可选方案中，控制器包括数据处理模块510和数据交换模块520；数据处理模块510通过线缆与光栅传感器400连接，数据处理模块510通过线缆与数据交换模块520连接，数据交换模块520通过线缆与显示屏600连接。
具体的，通过数据处理模块510将测量头420测得数据转换成位移数据，然后将位移数据传输到数据交换模块520，通过数据交换模块520将位移数据转换成质子膜700的厚度信息，并传输到显示屏600上，以便工作人员实时查看。
本实施例提供的氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置的计算原理为：
设激光器L出射光的波长为λ，若不考虑高斯包络调制的影响，其复振幅可表示为：
式中：A为振幅，t为时间，w为角频率，为初相位，/>经分光镜BS后，P光和Q光到达光栅G前表面时复振幅分别为：
式中：AP、AQ分别为P光和Q光的振幅，位相π为由于半波损失引入的位相变化，l为分光镜BS到反射镜R间的光程。由公式(2)和(3)可知，当P光和Q光到达光栅G前表面的同一位置时位相差为：
当光栅G在垂直于光轴OO'方向上由于氢燃料质子膜700厚度变化发生位移X时(假设产生的误差位移为Δx)，由于多普勒效应，引起光束P、Q的光程差变化ΔP和ΔQ分别为：
ΔP＝-(X+Δx)sini (5)
ΔQ＝(X+Δx)sini (6)
式中：i为入射角。由于衍射光束(P，m)和(Q，-m)沿光栅法线方向出射，位移X+Δx对他们不产生影响。则总的相位差为：
光栅方程为：
d(sini±sinθ)＝mλ，m＝0，±1，±2，… (8)
式中：d为光栅栅距，θ为第m级光的衍射角，由于(P，m)和(Q，-m)沿光栅法线方向出射，衍射角θ＝0。则公式(8)变为：
将(9)式带入(7)式可得：
由(10)式可知，总位相差由两部分组成，位相差由光栅位移引入，其大小与位移量X+Δx成正比，与光栅栅距d成反比；位相差/>由分光镜BS到反射R间的光程引入，其大小与光程l成正比，与波长λ成反比。
在测量过程中，若光程l和波长λ均不发生变化，则保持常量，此时干涉条纹的移动只与位移X+Δx有关。当位移量X+Δx为光栅栅距d时，位相差变化变化4πm，光电探测器输出的电信号变化2m个周期，因此对光栅栅距实现了2m倍光学细分。当移动过光电探测器的条纹数为N时，光栅的位移量为：
假设氢燃料质子膜700的实际厚度为X，其通过滚轮时，光栅一位移变化X/2+Δx，光栅二位移变化-X/2+Δx，则有：
采用差动式光栅测量，可得到氢燃料质子膜700厚度的影响，产生的实际位移为：
由此可知，只采有一个光栅装置测量氢燃料质子膜700的几何量时，引入的随机误差无法消除，而如本实施例提供的氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置采用两个光栅传感器400进行测量可以消除随机误差、噪声等的干扰，且可以提高测量精度。
本实施例提供了一种测试方法，包括以下步骤：将待测质子膜移送至测量平台上；使待测质子膜匀速通过两个随轮移动件，两个随轮移动件上的光栅传感器将测得信息传输给控制器，通过控制器计算得到待测质子膜的实时厚度。
具体的，本实施例提供的测试方法与现有技术相比具有上述氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置的优势，在此不再进行赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置，其特征在于，包括：测量平台、测量轮(200)、随轮移动件(300)、光栅传感器(400)、控制器和显示屏(600)；
所述测量平台的上下两侧均设置有所述随轮移动件(300)，两个所述随轮移动件(300)相对的一端均设置有测量轮(200)，且两个所述测量轮(200)能够相互抵接；
所述随轮移动件(300)上设置有光栅传感器(400)，所述光栅传感器(400)与所述控制器连接，所述显示屏(600)与所述控制器连接；
所述测量平台的上下两侧均设置有用于固定所述随轮移动件(300)的固定座(110)；所述随轮移动件(300)远离所述测量轮(200)的一端固定在所述固定座上；
所述随轮移动件(300)包括移动杆(310)和弹性件(320)；所述移动杆(310)的一端与所述测量轮(200)连接，另一端通过所述弹性件(320)与所述固定座连接；
所述光栅传感器(400)包括光栅尺(410)和测量头(420)；所述测量头(420)设置在所述固定座上，所述光栅尺(410)设置在所述移动杆(310)上；
所述测量与所述控制器连接。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置，其特征在于，所述固定座上设置有用于为所述移动杆(310)移动导向的导向件。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置，其特征在于，所述导向件采用导向杆；
所述移动杆(310)上设置有连接杆，所述连接杆上设置有直线轴承，所述直线轴承滑套在所述导向杆上。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置，其特征在于，所述弹性件(320)采用弹簧。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置，其特征在于，所述移动杆(310)与所述测量轮(200)连接的一端设置有用于连接测量轮(200)的连接座(311)，所述测量轮(200)通过销轴(312)安装在所述连接座(311)上。
6.根据权利要求5所述的氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置，其特征在于，所述测量轮(200)采用金属滚轮。
7.根据权利要求1－6任一项所述的氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置，其特征在于，所述控制器包括数据处理模块(510)和数据交换模块(520)；
所述数据处理模块(510)通过线缆与所述光栅传感器(400)连接，所述数据处理模块(510)通过线缆与所述数据交换模块(520)连接，所述数据交换模块(520)通过线缆与显示屏(600)连接。
8.一种测试方法，其特征在于，用于如权利要求1－7任一项所述的氢燃料电池质子膜在线几何量测量装置，包括以下步骤：
将待测质子膜移送至测量平台上；
使待测质子膜匀速通过两个随轮移动件(300)，两个随轮移动件(300)上的光栅传感器(400)将测得信息传输给控制器，通过控制器计算得到待测质子膜的实时厚度。
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