CN114627037A - 一种静电纺丝厚度检测方法及装置 - Google Patents

一种静电纺丝厚度检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开涉及一种静电纺丝厚度检测方法及装置，该方法包括：通过单色光发生器向静电纺丝收集器上收集的静电纺丝发射单色光的入射光；通过摄像头采集入射光经过四棱台棱镜的第一侧面、静电纺丝收集器、静电纺丝和四棱台棱镜的第二侧面后发出的出射光的图像；根据预先设定的灰度变换策略对出射光的图像进行灰度变换处理，以在灰度变换处理后的第一图像中获取灰度值高于预设灰度阈值的第一目标区域；根据预设的灰度值与静电纺丝厚度之间的对应关系，获取与第一目标区域的目标灰度值对应的目标厚度。能够基于光学和视觉，通过全内反射原理快速检测出纺丝的厚度，且通过主动式的单色光照结构，降低了检测过程中环境因素的影响，提高了检测精度。

Description

一种静电纺丝厚度检测方法及装置
技术领域
本发明公开涉及静电纺丝产品检测技术领域，具体地，涉及一种静电纺丝厚度检测方法及装置。
背景技术
目前，静电纺丝的生产过程中会受到许多要素影响，这些要素可分为溶液性质，如粘度、弹性、电导率和外表张力；控制变量，如毛细管中的静电压、毛细管口的电势和毛细管口与收集器之问的间隔；环境参数，如溶液温度、纺丝环境中的空气湿度和温度、气流速度等。在这些因素的共同影响下，最终导致得到的静电纺丝纤维大小不一，无法达到的尺寸还有其他的一些参数指标，限制了静电纺丝纤维收集的精度和生产效率，从而影响了其在工业化生产和增材制造领域的应用前景。因此能够在静电纺丝制造过程中，检测到制造出来的静电纺丝的形貌参数并对其他可调节的参数进行调整从而制造出来理想大小的静电纺丝，是一种亟待解决的技术问题。现有技术中，提供一种静电纺丝丝径的在线调节方法及静电纺丝装置：在控制系统中输入纺丝材料性质以及预设的纤维丝径d0，纺丝材料性质包括热塑性和热固性；使用摄像头对准收集板上纺丝沉积位置拍摄得到纺丝纤维电镜图像；对纺丝纤维电镜图像进行图像处理，提取纺丝轮廓图像，根据所述纺丝轮廓图像计算当前纺丝纤维丝径d1；将d1与d0进行比较，根据纺丝材料性质以及比较结果控制收集板温度升高或降低。但是，上述方法容易受到环境影响(单纯使用视觉进行检测会受到光线以及其它环境因素的影响)，进而导致静电纺丝检测时的精度不够高。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开提供一种静电纺丝厚度检测方法及装置。
根据本发明公开实施例的第一方面，提供一种静电纺丝厚度检测方法，所述方法应用于静电纺丝厚度检测装置，所述静电纺丝厚度检测装置包括喷射静电纺丝的喷头、单色光发生器、摄像头、静电纺丝收集器和四棱台棱镜，所述静电纺丝收集器与所述四棱台棱镜的上表面相贴合，所述单色光发生器的喷头和所述摄像头分别与所述四棱台棱镜中相对的第一侧面和第二侧面相对，所述四棱台棱镜和静电纺丝收集器的折射率相同，均大于静电纺丝的折射率，所述方法包括：
通过所述单色光发生器向所述静电纺丝收集器上收集的静电纺丝发射单色光的入射光，所述入射光进入所述四棱台棱镜的入射角的数值处于所述四棱台棱镜和空气的第一全反射临界角的数值以及所述四棱台棱镜与静电纺丝收集器的第二全反射临界角的数值之间；
通过所述摄像头采集所述入射光经过所述四棱台棱镜的第一侧面、静电纺丝收集器、静电纺丝和所述四棱台棱镜的第二侧面后发出的出射光的图像；
根据预先设定的灰度变换策略对所述出射光的图像进行灰度变换处理，以在灰度变换处理后的第一图像中获取灰度值高于预设灰度阈值的第一目标区域；
根据预设的灰度值与静电纺丝厚度之间的对应关系，获取与所述第一目标区域的目标灰度值对应的目标厚度，所述目标厚度为所述静电纺丝收集器上的静电纺丝的厚度。
可选的，所述静电纺丝厚度检测方法还包括：
对所述第一图像进行阈值化处理，所述阈值化处理的临界值为所述目标灰度值；
获取阈值化处理后的第二图像，所述第二图像中呈现白色的第二目标区域的轮廓为所述静电纺丝收集器上的静电纺丝的轮廓。
可选的，所述通过所述单色光发生器向所述静电纺丝收集器上收集的静电纺丝发射单色光的入射光，包括：
获取四棱台棱镜的第一折射率；
根据所述第一折射率确定所述四棱台棱镜和空气的第一全反射临界角的数值；
获取所述静电纺丝收集器的第二折射率；
根据所述第一折射率和第二折射率确定所述四棱台棱镜与静电纺丝收集器的第二全反射临界角的数值；
将所述入射光进入所述四棱台棱镜的入射角的数值设置在所述第一全反射临界角的数值以及所述第二全反射临界角的数值之间。
可选的，所述静电纺丝厚度检测方法还包括：
通过静电纺丝收集器接收所述喷射静电纺丝的喷头喷射出的静电纺丝。
可选的，所述根据预先设定的灰度变换策略对所述出射光的图像进行灰度变换处理，以在灰度变换处理后的第一图像中获取灰度值高于预设灰度阈值的第一目标区域，包括：
确定所述单色光进入所述四棱台棱镜的入射角；
根据预先设定的所述入射角、第一全反射临界角、第二全反射临界角和灰度变换函数之间的预设关系，确定与所述入射角对应的目标灰度变换函数；
根据所述目标灰度变换函数对所述出射光的图像进行灰度变换处理。
可选的，所述根据预设的灰度值与静电纺丝厚度之间的对应关系，获取与所述第一目标区域的目标灰度值对应的目标厚度，包括：
根据预先设定的灰度变换函数与灰度阈值之间的对应关系，确定与所述目标灰度变换函数对应的目标灰度阈值；
根据预设的灰度值与静电纺丝厚度之间的对应关系，获取与所述第一目标区域的目标灰度值对应的目标厚度。
根据本发明公开实施例的第二方面，提供一种静电纺丝厚度检测装置，所述装置包括：喷射静电纺丝的喷头、单色光发生器、摄像头、静电纺丝收集器和四棱台棱镜；
所述喷射静电纺丝的喷头固定于所述静电纺丝收集器上方并与所述静电纺丝收集器相隔预设的距离，所述静电纺丝收集器与所述四棱台棱镜的上表面相贴合；
所述单色光发生器的喷头和所述摄像头分别与所述四棱台棱镜中相对的第一侧面和第二侧面相对；
所述四棱台棱镜和静电纺丝收集器的折射率相同，均大于静电纺丝的折射率。
可选的，所述静电纺丝收集器与所述四棱台棱镜均由玻璃材料制备而成。
可选的，所述装置该包括：转台；
所述单色光发生器和所述摄像头分别固定于所述转台上。
综上所述，本发明提供一种静电纺丝厚度检测方法及装置，该方法包括：通过单色光发生器向静电纺丝收集器上收集的静电纺丝发射单色光的入射光；通过摄像头采集入射光经过四棱台棱镜的第一侧面、静电纺丝收集器、静电纺丝和四棱台棱镜的第二侧面后发出的出射光的图像；根据预先设定的灰度变换策略对出射光的图像进行灰度变换处理，以在灰度变换处理后的第一图像中获取灰度值高于预设灰度阈值的第一目标区域；根据预设的灰度值与静电纺丝厚度之间的对应关系，获取与第一目标区域的目标灰度值对应的目标厚度。能够基于光学和视觉，通过全内反射原理快速检测出纺丝的厚度，且通过主动式的单色光照结构，降低了检测过程中环境因素的影响，提高了检测精度。
本发明公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是根据一示例性实施例示出的一种静电纺丝厚度检测方法的流程图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种静电纺丝厚度检测装置的结构框图；
图3是根据图2示出的一种入射光的光程示意图；
图4是根据图1示出的一种静电纺丝轮廓获取方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
图1是根据一示例性实施例示出的一种静电纺丝厚度检测方法的流程图，如图1所示，该方法应用于如图2所示的静电纺丝厚度检测装置的结构框图，该静电纺丝厚度检测装置200包括喷射静电纺丝的喷头210、单色光发生器220、摄像头230、静电纺丝收集器240和四棱台棱镜250，静电纺丝收集器上为静电纺丝300。
该静电纺丝收集器240与该四棱台棱镜250的上表面相贴合，该单色光发生器220的喷头和该摄像头230分别与该四棱台棱镜250中相对的第一侧面和第二侧面相对，该四棱台棱镜250和静电纺丝收集器240的折射率相同，均大于静电纺丝的折射率，该喷射静电纺丝的喷头210固定于该静电纺丝收集器240上方并与该静电纺丝收集器210相隔预设的距离。
其中，该静电纺丝收集器210与该四棱台棱镜250均由玻璃材料制备而成。
另外，该静电纺丝厚度检测装置200还包括：转台260；该单色光发生器220和该摄像头230分别固定于该转台260上。
基于该静电纺丝厚度检测装置200，该静电纺丝厚度检测方法包括：
在步骤101中，通过该单色光发生器向该静电纺丝收集器上收集的静电纺丝发射单色光的入射光。
其中，该入射光进入该四棱台棱镜的入射角的数值处于该四棱台棱镜和空气的第一全反射临界角的数值以及该四棱台棱镜与静电纺丝收集器的第二全反射临界角的数值之间。
示例地，静电纺丝为聚合物喷发的静电拉伸纺丝，通过一种特殊的纤维制造工艺制备而成，具体制备步骤包括：将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的效果下在毛细管的Taylor锥极点被加快。当电场力大于预设阈值时，聚合物液滴战胜外表张力构成喷发细流。喷发细流在喷发进程中溶剂蒸腾或固化，落在静电纺丝收集器上，构成相似非织造布状的纤维毡。
在本公开发明实施例中，提供一种在制备静电纺丝的过程中，对静电纺丝收集器上的静电纺丝的厚度进行检测的方法，需要通过单色光发生器发射出的单色光的入射光对静电纺丝收集器上的静电纺丝进行照射，以通过对该入射光的出射光图像进行分析从而确定静电纺丝的厚度。为了保证该入射光在四棱台棱镜与空气的临界面发生全反射，在四棱台棱镜与静电纺丝收集器的临界面发生部分反射(折射)，需要保证该四棱台棱镜和静电纺丝收集器的折射率相同，且均大于静电纺丝的折射率，以及入射角的数值处于该四棱台棱镜和空气的第一全反射临界角的数值以及该四棱台棱镜与静电纺丝收集器的第二全反射临界角的数值之间。
具体步骤包括：获取四棱台棱镜的第一折射率；根据该第一折射率确定该四棱台棱镜和空气的第一全反射临界角的数值；获取该静电纺丝收集器的第二折射率；根据该第一折射率和第二折射率确定该四棱台棱镜与静电纺丝收集器的第二全反射临界角的数值；将该入射光进入该四棱台棱镜的入射角的数值设置在该第一全反射临界角的数值以及该第二全反射临界角的数值之间。
在步骤102中，通过该摄像头采集该入射光经过该四棱台棱镜的第一侧面、静电纺丝收集器、静电纺丝和该四棱台棱镜的第二侧面后发出的出射光的图像。
示例地，图3为该入射光的光程示意图，如图3所示，该入射光251经过该四棱台棱镜250的第一侧面后进入该静电纺丝收集器240，并在静电纺丝收集器240与静电纺丝300的临界面发生折射(部分反射)，一部分入射光经过静电纺丝300后发散到空气中，另一部分入射光300在被静电纺丝300反射后又分别经过静电纺丝收集器240和四棱台棱镜250(在静电纺丝收集器240与空气的临界面发生全反射)，形成出射光252。对该出射光252的图像进行采集，以根据该出射光的图像通过以下步骤103-步骤104确定该静电纺丝的厚度。
在步骤103中，根据预先设定的灰度变换策略对该出射光的图像进行灰度变换处理，以在灰度变换处理后的第一图像中获取灰度值高于预设灰度阈值的第一目标区域。
示例地，入射光经过该四棱台棱镜时，在静电纺丝之外的部分形成了全内反射，从而使得出射光的图像当中静电纺丝之外的部分呈现出明亮的区域；而入射光在静电纺丝部分由于入射角未达到第二全反射临界角，会有一部分光线发生折射穿过静电纺丝发散到空气中，其余部分发生反射形成出射光，因此拍摄到的出射光的图像中静电纺丝部分会比较暗(灰度值较高)。
可以理解的是，入射角的数值越接近该第二全反射临界角的数值，与该入射光对应的出射光的图像整体亮度值就越高(入射光经过静电纺丝并发生折射的部分越少)，图像中明暗度对比越弱。因此，根据获得的出射光的明暗度的不同，对图像进行灰度变换处理时所选择的目标灰度变换函数不同。
具体步骤包括：确定该单色光进入该四棱台棱镜的入射角；根据预先设定的该入射角、第一全反射临界角、第二全反射临界角和灰度变换函数之间的预设关系，确定与该入射角对应的目标灰度变换函数；根据该目标灰度变换函数对该出射光的图像进行灰度变换处理；并在灰度变换处理后的第一图像中获取灰度值高于预设灰度阈值的第一目标区域。
在步骤104中，根据预设的灰度值与静电纺丝厚度之间的对应关系，获取与该第一目标区域的目标灰度值对应的目标厚度。
其中，该目标厚度为该静电纺丝收集器上的静电纺丝的厚度。
示例地，根据上述步骤103确定灰度值变换处理时所采用的目标灰度变换函数后，相当于确定了灰度变换处理后的第一图像中目标区域的目标灰度值。此时，根据预先设定的灰度变换函数与灰度阈值之间的对应关系，确定与该目标灰度变换函数对应的目标灰度阈值；根据预设的灰度值与静电纺丝厚度之间的对应关系，获取与该第一目标区域的目标灰度值对应的目标厚度。
另外，通过静电纺丝收集器接收该喷射静电纺丝的喷头喷射出的静电纺丝。
图4是根据图1示出的一种静电纺丝轮廓获取方法的流程图，如图4所示，与图1不同的是，该方法还包括：
在步骤401中，对该第一图像进行阈值化处理，该阈值化处理的临界值为该目标灰度值。
示例地，阈值化处理是一种以某种规则依次将像素处理成0或1输出(即像素分割)的图像处理方式。具体步骤包括：给定一个灰度图，经过阈值化处理将把它转化成二值图像输出。阈值化处理提取背景中的重要信息，将图像更进一步的从灰度图背景中抽离出来。在本发明公开实施例中，将第一图像中目标区域的目标灰度值作为临界值，对第一图像进行阈值化处理(阈值化处理后的图像中目标区域呈现白色像素为0，其余部分呈现黑色，像素为1)。
在步骤402中，获取阈值化处理后的第二图像，所述第二图像中呈现白色的第二目标区域的轮廓为所述静电纺丝收集器上的静电纺丝的轮廓。
示例地，以目标灰度值为临界值对第一图像进行阈值化处理后，第一图像中灰度高于临界值的区域呈现黑色，或灰度值低于临界值的区域呈现白色，即得到呈现二值化图像的第二图像。因此，在第二图像中，呈现白色的区域即为静电纺丝收集器上的静电纺丝的轮廓。
综上所述，本发明提供一种静电纺丝厚度检测方法及装置，该方法包括：通过单色光发生器向静电纺丝收集器上收集的静电纺丝发射单色光的入射光；通过摄像头采集入射光经过四棱台棱镜的第一侧面、静电纺丝收集器、静电纺丝和四棱台棱镜的第二侧面后发出的出射光的图像；根据预先设定的灰度变换策略对出射光的图像进行灰度变换处理，以在灰度变换处理后的第一图像中获取灰度值高于预设灰度阈值的第一目标区域；根据预设的灰度值与静电纺丝厚度之间的对应关系，获取与第一目标区域的目标灰度值对应的目标厚度。能够基于光学和视觉，通过全内反射原理快速检测出纺丝的厚度，且通过主动式的单色光照结构，降低了检测过程中环境因素的影响，提高了检测精度。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (9)

1.一种静电纺丝厚度检测方法，其特征在于，所述方法应用于静电纺丝厚度检测装置，所述静电纺丝厚度检测装置包括喷射静电纺丝的喷头、单色光发生器、摄像头、静电纺丝收集器和四棱台棱镜，所述静电纺丝收集器与所述四棱台棱镜的上表面相贴合，所述单色光发生器的喷头和所述摄像头分别与所述四棱台棱镜中相对的第一侧面和第二侧面相对，所述四棱台棱镜和静电纺丝收集器的折射率相同，均大于静电纺丝的折射率，所述方法包括：
通过所述单色光发生器向所述静电纺丝收集器上收集的静电纺丝发射单色光的入射光，所述入射光进入所述四棱台棱镜的入射角的数值处于所述四棱台棱镜和空气的第一全反射临界角的数值以及所述四棱台棱镜与静电纺丝收集器的第二全反射临界角的数值之间；
通过所述摄像头采集所述入射光经过所述四棱台棱镜的第一侧面、静电纺丝收集器、静电纺丝和所述四棱台棱镜的第二侧面后发出的出射光的图像；
根据预先设定的灰度变换策略对所述出射光的图像进行灰度变换处理，以在灰度变换处理后的第一图像中获取灰度值高于预设灰度阈值的第一目标区域；
根据预设的灰度值与静电纺丝厚度之间的对应关系，获取与所述第一目标区域的目标灰度值对应的目标厚度，所述目标厚度为所述静电纺丝收集器上的静电纺丝的厚度。
2.根据权利要求1所述的静电纺丝厚度检测方法，其特征在于，所述静电纺丝厚度检测方法还包括：
对所述第一图像进行阈值化处理，所述阈值化处理的临界值为所述目标灰度值；
获取阈值化处理后的第二图像，所述第二图像中呈现白色的第二目标区域的轮廓为所述静电纺丝收集器上的静电纺丝的轮廓。
3.根据权利要求1所述的静电纺丝厚度检测方法，其特征在于，所述通过所述单色光发生器向所述静电纺丝收集器上收集的静电纺丝发射单色光的入射光，包括：
获取四棱台棱镜的第一折射率；
根据所述第一折射率确定所述四棱台棱镜和空气的第一全反射临界角的数值；
获取所述静电纺丝收集器的第二折射率；
根据所述第一折射率和第二折射率确定所述四棱台棱镜与静电纺丝收集器的第二全反射临界角的数值；
将所述入射光进入所述四棱台棱镜的入射角的数值设置在所述第一全反射临界角的数值以及所述第二全反射临界角的数值之间。
4.根据权利要求1所述的静电纺丝厚度检测方法，其特征在于，所述静电纺丝厚度检测方法还包括：
通过静电纺丝收集器接收所述喷射静电纺丝的喷头喷射出的静电纺丝。
5.根据权利要求1所述的静电纺丝厚度检测方法，其特征在于，所述根据预先设定的灰度变换策略对所述出射光的图像进行灰度变换处理，以在灰度变换处理后的第一图像中获取灰度值高于预设灰度阈值的第一目标区域，包括：
确定所述单色光进入所述四棱台棱镜的入射角；
根据预先设定的所述入射角、第一全反射临界角、第二全反射临界角和灰度变换函数之间的预设关系，确定与所述入射角对应的目标灰度变换函数；
根据所述目标灰度变换函数对所述出射光的图像进行灰度变换处理。
6.根据权利要求5所述的静电纺丝厚度检测方法，其特征在于，所述根据预设的灰度值与静电纺丝厚度之间的对应关系，获取与所述第一目标区域的目标灰度值对应的目标厚度，包括：
根据预先设定的灰度变换函数与灰度阈值之间的对应关系，确定与所述目标灰度变换函数对应的目标灰度阈值；
根据预设的灰度值与静电纺丝厚度之间的对应关系，获取与所述第一目标区域的目标灰度值对应的目标厚度。
7.一种静电纺丝厚度检测装置，其特征在于，所述装置包括：喷射静电纺丝的喷头、单色光发生器、摄像头、静电纺丝收集器和四棱台棱镜；
所述喷射静电纺丝的喷头固定于所述静电纺丝收集器上方并与所述静电纺丝收集器相隔预设的距离，所述静电纺丝收集器与所述四棱台棱镜的上表面相贴合；
所述单色光发生器的喷头和所述摄像头分别与所述四棱台棱镜中相对的第一侧面和第二侧面相对；
所述四棱台棱镜和静电纺丝收集器的折射率相同，均大于静电纺丝的折射率。
8.根据权利要求7所述的静电纺丝厚度检测装置，其特征在于，所述静电纺丝收集器与所述四棱台棱镜均由玻璃材料制备而成。
9.根据权利要求7所述的静电纺丝厚度检测装置，其特征在于，所述装置该包括：转台；
所述单色光发生器和所述摄像头分别固定于所述转台上。
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