CN117232985A - 一种水凝胶颗粒强度测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水凝胶颗粒强度测定装置及测定方法，涉及水凝胶颗粒强度测定技术领域，其技术方案要点是：包括支撑架，支撑架的顶部内侧垂直设有液压伸缩杆，液压伸缩杆的伸缩端设有加压板，支撑架的底部内侧设有压力传感器，压力传感器的顶部设有固定块，固定块的顶部设有第一凹槽。在本发明中，能够通过将多个水凝胶颗粒分别单独放置在颗粒放置框中的球形放置槽内，达到多个水凝胶颗粒单层放置同时检测的目的，减小多层叠加所带来的影响；然后通过上方的加压板能够同时对多个水凝胶颗粒进行挤压施压，使水凝胶颗粒产生形变后，利用图像采集装置按照预设的时间间隔对图像进行采集，最终利用形变量判断水凝胶颗粒的强度大小。

Description

一种水凝胶颗粒强度测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及水凝胶颗粒强度测定技术领域，更具体地说，它涉及一种水凝胶颗粒强度测定装置及测定方法。

背景技术

水凝胶颗粒是一种用途广泛的材料，在光子学、光学、药物传递和组织工程、食品工业和化妆品等领域有着广泛的应用。这些亲水性粒子，通常由合成聚合物组成，可以调控材料的吸附和传递性能。为了获得水凝胶颗粒的性能参数，常需测定其物化指标，强度是水凝胶颗粒必不可少的一项重要指标。

一篇公开号为CN109142046A的中国专利明公开了一种水凝胶颗粒强度测定装置及方法，该水凝胶颗粒强度测定装置中压力传感器设置在水凝胶颗粒盛装容器的底面下方，水凝胶颗粒盛装容器中包含有机玻璃加压板，水凝胶颗粒盛装容器两侧设有纵向刻度线，水凝胶颗粒盛装容器的侧面设有排水孔，有机玻璃加压板设置在水凝胶颗粒待测样品上，有机玻璃加压板与水凝胶颗粒盛装容器侧面之间无缝隙且可上下移动。该水凝胶颗粒强度测定装置搭配颗粒强度测定仪解决了水凝胶颗粒的强度测定问题，实现了不同材料、不同粒径的水凝胶颗粒强度的测定，并可对复合材料不同配比的水凝胶颗粒进行强度的优选，测试方法简单，操作方便。

但上述现有技术，将多个水凝胶颗粒放入到盛装容器中，多个水凝胶颗粒在盛装容器中重叠放置，虽然设有排水孔排出液体，但当加压板下压的过程中由于一些水凝胶颗粒发生破损后仍然放在盛装容器中，会对整体的强度检测造成影响，从而强度检测的准确性具有误差。

因此，本发明旨在提供一种水凝胶颗粒强度测定装置及测定方法，以解决上述提到的相关问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种水凝胶颗粒强度测定装置及测定方法，以解决上述提到的现有技术中由于多个水凝胶重叠放置，导致破损后影响强度检测准确性的相关问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种水凝胶颗粒强度测定装置，包括支撑架，所述支撑架的顶部内侧垂直设有液压伸缩杆，所述液压伸缩杆的伸缩端设有加压板，所述加压板的顶部设有激光发射器，所述支撑架的顶部内侧设有与激光发射器相互配合的激光接收器，所述支撑架的底部内侧设有压力传感器，所述压力传感器的顶部设有固定块，所述固定块的顶部设有第一凹槽，所述第一凹槽内设有图像采集装置，所述第一凹槽的顶部设有第一透明板，所述第一透明板的顶部设有颗粒放置框，所述支撑架的底部外侧设有数据传输口以及供电接口。

通过采用上述技术方案，通过支撑架，便于固定液压伸缩杆以及固定块；通过液压伸缩杆，便于带动加压板上下移动；通过加压板，便于向颗粒放置框内的水凝胶颗粒施加压力；通过激光发射器以及激光接收器，便于监测加压板下降的高度值；通过压力传感器，便于监测加压板向水凝胶颗粒施加的压力值；通过固定块，便于固定颗粒放置框；通过颗粒放置框，便于放置水凝胶颗粒；通过数据传输口，便于与外部设备连接，从而实现数据信号的传递；通过供电接口，便于为整个装置提供电力支撑。

本发明进一步设置为：所述颗粒放置框包括放置板以及2个相互对称垂直设置于放置板两侧的固定板，所述放置板的顶部间隔设有若干个球形放置槽，所述球形放置槽内沿底部中心向外侧扩散设有若干个刻度环。

通过采用上述技术方案，通过放置板，便于设置球形放置槽；通过固定板，便于支撑固定放置板；通过球形放置槽，便于放置水凝胶颗粒；通过刻度环，便于辨识水凝胶颗粒受到挤压后的形变量以及辅助判断是否发生破损。

本发明进一步设置为：2个所述固定板向纵向方向延伸设有安装部，所述固定块的两相对的外侧壁设有与安装部相互配合的安装槽。

通过采用上述技术方案，通过安装部以及安装槽的相互配合，便于将颗粒放置框可拆卸安装在固定块上，从而防止在挤压的过程中发生位移，影响到最终的测试效果。

本发明进一步设置为：所述加压板的底部设有第二凹槽，所述第二凹槽内设有光源装置，所述加压板的底部设有用于封盖第二凹槽的第二透明板。

通过采用上述技术方案，通过第二凹槽，便于固定安装光源装置；通过光源装置，便于图像采集装置能够更清晰的采集到水凝胶颗粒在受到挤压过程中的图像；通过第二透明板，便于光源装置发射出的光源能够作用于水凝胶颗粒的上方。

本发明进一步设置为：所述数据传输口连接有移动端设备或计算机中的一种。

本发明还提供一种水凝胶颗粒强度测定装置的测定方法，所述水凝胶颗粒强度测定方法的具体步骤如下：

获取第一投影图像，所述第一投影图像为水凝胶颗粒在球形放置槽内侧的投影和球形放置槽内的刻度环的叠加投影图像；

对所述第一投影图像进行预处理，得到预处理后的第一投影图像，预处理后的所述第一投影图像包括第一覆盖区域以及至少一个刻度环；

基于预设的图像特征提取模型，提取所述第一覆盖区域的第一中心点位置特征，以及多个所述第一中心点位置到所述第一覆盖区域边缘部的第一距离值；

将多个所述第一距离值进行平均计算，得到初始距离值；

在水凝胶颗粒被挤压的过程中，以及按照预设的间隔时间持续获取第二投影图像，以及按照上述步骤对第二投影图像进行预处理，得到第二覆盖区域以及至少一个刻度环；

基于预设的图像特征提取模型，提取所述第二覆盖区域的第二中心点位置特征，以及多个所述第二中心点位置到所述第二覆盖区域边缘部的第二距离值；

将所述第一距离值和第二距离值进行差值化处理，获得多个第一差值；

将多个所述第一差值进行绝对值平均计算，得到第二差值；

获取所述第二差值与所述初始距离值的比值，即得到第二覆盖区域的形变比例值，通过所述形变比例值的大小，判断所述水凝胶颗粒的强度大小。

本发明进一步设置为：所述预处理包括图像灰度、杂质去除以及反差对比处理。

本发明进一步设置为：所述图像特征提取模型的构建步骤如下：

获取样本投影图像，对所述样本投影图像的中心点以及边缘部进行标记，构建样本数据图像集以及样本特征数据集；

利用循环神经网络对样本数据图像集以及样本特征数据集进行训练，构建所述图像特征提取模型。

本发明进一步设置为：所述通过所述形变比例值的大小，判断所述水凝胶颗粒的强度大小具体为：所述形变比例值越大，则所述水凝胶颗粒的强度越大；所述形变比例值越小，则所述水凝胶颗粒的强度越小。

本发明进一步设置为：所述测定方法还包括以下步骤：

基于预设的图像特征提取模型，提取多个所述第一覆盖区域边缘部到最外侧所述刻度环的最小距离值；

依次比较相邻两处所述最小距离值，若多个相邻所述最小距离值的差值超过预设阈值，则判断所述水凝胶颗粒发生破损，记录破损时刻的伸缩形变比例值，作为该水凝胶颗粒的最大强度。

综上所述，本发明具有以下有益效果：在本发明中，能够通过将多个水凝胶颗粒分别单独放置在颗粒放置框中的球形放置槽内，达到多个水凝胶颗粒单层放置同时检测的目的，减小多层叠加所带来的影响；然后通过上方的加压板能够同时对多个水凝胶颗粒进行挤压施压，使水凝胶颗粒产生形变后，利用图像采集装置按照预设的时间间隔对图像进行采集，最终利用形变量判断水凝胶颗粒的强度大小，从而解决了在现有技术中，将多个水凝胶颗粒放入到盛装容器中，多个水凝胶颗粒在盛装容器中重叠放置，当加压板下压的过程中由于一些水凝胶颗粒发生破损后仍然放在盛装容器中，会对整体的强度检测造成影响，从而强度检测的准确性具有误差的相关问题。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种水凝胶颗粒强度测定装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1中一种水凝胶颗粒强度测定装置的局部剖视图；

图3是本发明实施例1中一种水凝胶颗粒强度测定装置中颗粒放置框结构示意图；

图4是本发明实施例2中一种水凝胶颗粒强度测定方法中图像采集装置所采集的第二投影图像示意图；

图5是本发明实施例2中一种水凝胶颗粒强度测定方法中的方法流程图。

图中：1、支撑架；2、液压伸缩杆；3、加压板；4、激光发射器；5、激光接收器；6、压力传感器；7、固定块；8、第一凹槽；9、图像采集装置；10、第一透明板；11、颗粒放置框；111、放置板；112、固定板；12、数据传输口；13、供电接口；14、球形放置槽；15、刻度环；16、安装部；17、安装槽；18、第二凹槽；19、光源装置；20、第二透明板；21、挡板；22、活动通道；23、盖板。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种水凝胶颗粒强度测定装置，如图1-图5所示，包括支撑架1，支撑架1采用U形结构，且支撑架1的两个相互平行的板体与地面平行，支撑架1的顶部内侧垂直固定安装有液压伸缩杆2，液压伸缩杆2的伸缩端固定安装有加压板3，液压伸缩杆2的纵向中心线与加压板3的纵向中心线平齐，加压板3的顶部固定安装有激光发射器4，支撑架1的顶部内侧固定安装有与激光发射器4相互配合的激光接收器5，支撑架1的底部内侧固定安装有压力传感器6，压力传感器6的顶部固定安装有固定块7，固定块7的顶部开凿有第一凹槽8，第一凹槽8内固定安装有图像采集装置9，图像采集装置9采用高清摄像头，第一凹槽8的顶部固定安装有第一透明板10，第一透明板10的顶部固定安装有颗粒放置框11，支撑架1的底部外侧开凿有数据传输口12以及供电接口13；数据传输口12采用USB数据接口与计算机连接，计算机中安装有用于数据处理记录的应用程序，以及连接有用于数据页面显示的显示屏；同时供电接口13采用电源连接线与外部供电设备连接。

在本实施例中，通过支撑架1，便于固定液压伸缩杆2以及固定块7；通过液压伸缩杆2，便于带动加压板3上下移动；通过加压板3，便于向颗粒放置框11内的水凝胶颗粒施加压力；通过激光发射器4以及激光接收器5，便于监测加压板3下降的高度值；通过压力传感器6，便于监测加压板3向水凝胶颗粒施加的压力值；通过固定块7，便于固定颗粒放置框11；通过颗粒放置框11，便于放置水凝胶颗粒；通过数据传输口12，便于与外部设备连接，从而实现数据信号的传递；通过供电接口13，便于为整个装置提供电力支撑。

颗粒放置框11包括放置板111以及2个相互对称垂直设置于放置板111两侧的固定板112，放置板111的顶部间隔开凿有20个球形放置槽14，球形放置槽14的最深深度为1mm，球形放置槽14内沿底部中心向外侧扩散设置有4个刻度环15。

在本实施例中，通过放置板111，便于设置球形放置槽14；通过固定板112，便于支撑固定放置板111；通过球形放置槽14，便于放置水凝胶颗粒；通过刻度环15，便于辨识水凝胶颗粒受到挤压后的形变量以及辅助判断是否发生破损。

2个固定板112向纵向方向延伸设置有安装部16，安装部16与固定板112一体成型，固定块7的两相对的外侧壁开凿有与安装部16相互配合的安装槽17。

在本实施例中，通过安装部16以及安装槽17的相互配合，便于将颗粒放置框11可拆卸安装在固定块7上，从而防止在挤压的过程中发生位移，影响到最终的测试效果。

在本实施例中，在2个固定板112之间还垂直间隔设置有2个挡板21，2个挡板21分别位于放置板111两侧边缘部的上方，2个挡板21与放置板111之间形成活动通道22，活动通道22内活动连接有盖板23，通过盖板23进入到活动通道22内，能够使放置板111上的水凝胶颗粒保持单层放置，防止水凝胶颗粒发生重叠。

加压板3的底部开凿有第二凹槽18，第二凹槽18内固定安装有光源装置19，光源装置19采用LED灯，加压板3的底部固定安装有用于封盖第二凹槽18的第二透明板20。

在本实施例中，通过第二凹槽18，便于固定安装光源装置19；通过光源装置19，便于图像采集装置9能够更清晰的采集到水凝胶颗粒在受到挤压过程中的图像；通过第二透明板20，便于光源装置19发射出的光源能够作用于水凝胶颗粒的上方。

实施例2

基于与实施例1相同的构思，如图1-图5所示，本发明还提供一种水凝胶颗粒强度测定装置的测定方法，测定步骤如下：

在测定前，先将颗粒放置框11从固定块7上拆下，然后将水凝胶颗粒放置在球形放置槽14内，然后将盖板23通过两侧的活动通道22内插入，以保证各个球形放置槽14内只有一个水凝胶颗粒且是单层放置，然后通过固定板112下方的安装部16与固定块7两侧的安装槽17相结合，将颗粒放置框11固定在固定块7上，然后再将盖板23从活动通道22内抽出，以便后续的使用，然后调整加压板3的高度，使加压板3与水凝胶的上表面接触；

当加压板3与水凝胶颗粒的上表面接触时，加压板3的高度h为零高度点，h=0，然后通过图像采集装置9获取第一投影图像，第一投影图像为水凝胶颗粒在球形放置槽14内侧的初始投影和球形放置槽14内的刻度环15的叠加投影图像；

将上述第一投影图像采集后通过数据传输接口传输至计算机中对第一投影图像进行预处理，预处理包括图像灰度、杂质去除以及反差对比处理；得到预处理后的第一投影图像，预处理后的第一投影图像包括第一覆盖区域以及4个刻度环15，需要说明的是，此时的第一覆盖区域为水凝胶颗粒还未受到加压板3挤压时的初始垂直投影覆盖区域；

然后在计算机系统中基于预设的图像特征提取模型，提取第一覆盖区域的第一中心点位置特征，记为P点，以及多个第一中心点位置到第一覆盖区域边缘部的第一距离值A_n，需要说明的是，多个第一中心点位置到第一覆盖区域边缘部间隔相同的间距进行测量，例如获取12个第一距离值A_n时，则以第一中心点P点为圆心，相隔间距30°进行第一距离值A_n采集；

将多个第一距离值A_n进行平均计算，得到初始距离值B₀，该初始距离值B₀为水凝胶未受到挤压时的初始平均距离值；

当启动液压伸缩杆2匀速带动加压板3下压，使水凝胶颗粒开始受到挤压，在水凝胶颗粒被持续挤压的过程中，按照预设的间隔时间持续获取第二投影图像，在本实施例中预设的间隔时间为0.1s，然后将每采集的第二投影图像将按照上述步骤对第二投影图像进行预处理，最终得到第二覆盖区域以及4个刻度环15，第二覆盖区域为水凝胶颗粒在图像获取时刻所受到挤压后的形变垂直投影覆盖区域；

然后在计算机系统中基于预设的图像特征提取模型，提取第二覆盖区域的第二中心点位置特征Q点，以及多个第二中心点位置到第二覆盖区域边缘部的第二距离值C_n，第二距离值C_n与第一距离值A_n采集的角度以及个数保持一致，例如第一距离值A_n采集12个，之间的间隔为30°，则同样采集相同12个相同方向间隔的第二距离值C_n；

将第一距离值A_n和第二距离值C_n进行差值化处理，获得多个第一差值Y_n；

需要说明的是，此时的差值化处理是将相同方向间隔的第一距离值A_n和第二距离值C_n进行相减，例如正右方向上的第一距离值A₃与第二距离值C₃进行相减，得到正右方向上的第一差值Y₃，

将多个第一差值Y_n进行绝对值平均计算，得到第二差值Z₀；

例如，在本实施例中若分别得到12个第一距离值A_n和第二距离值C_n，则将会获得12个第一差值Y_n，然后将这12个第一差值Y_n先进行相加，然后再除以12即得第二差值Z₀；

获取第二差值Z₀与初始距离值B₀的比值，即得到第二覆盖区域的形变比例值X，通过形变比例值X的大小，判断水凝胶颗粒的强度大小；其中，形变比例值X越大，则水凝胶颗粒的强度越大；形变比例值X越小，则水凝胶颗粒的强度越小。

同时在本实施例中，底部的压力传感器6将实时采集加压板3所施加的压力值，以及加压板3下降的高度值，并传输至计算机系统中进行数据处理，以帮助计算机系统对水凝胶颗粒强度的判断；

或者在需要同时比较多个不同成分水凝胶颗粒进行强度比较时，可以通过获取相同间隔下降高度后，图像采集装置9采集到所有的水凝胶颗粒的覆盖图像，利用上述方法，利用各自的形变比例值的大小分别判断比较不同成分水凝胶颗粒的强度。

图像特征提取模型的构建步骤如下：

获取样本投影图像，对样本投影图像的中心点以及边缘部进行标记，构建样本数据图像集以及样本特征数据集；

利用循环神经网络对样本数据图像集以及样本特征数据集进行训练，构建图像特征提取模型。

测定方法还包括以下步骤：

基于预设的图像特征提取模型，提取多个第一覆盖区域边缘部到最外侧刻度环15的最小距离值；

依次比较相邻两处最小距离值，若多个相邻最小距离值的差值超过预设阈值，则判断水凝胶颗粒发生破损，记录破损时刻的伸缩形变比例值，作为该水凝胶颗粒的最大强度。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种水凝胶颗粒强度测定装置，其特征在于，包括支撑架(1)，所述支撑架(1)的顶部内侧垂直设有液压伸缩杆(2)，所述液压伸缩杆(2)的伸缩端设有加压板(3)，所述加压板(3)的顶部设有激光发射器(4)，所述支撑架(1)的顶部内侧设有与激光发射器(4)相互配合的激光接收器(5)，所述支撑架(1)的底部内侧设有压力传感器(6)，所述压力传感器(6)的顶部设有固定块(7)，所述固定块(7)的顶部设有第一凹槽(8)，所述第一凹槽(8)内设有图像采集装置(9)，所述第一凹槽(8)的顶部设有第一透明板(10)，所述第一透明板(10)的顶部设有颗粒放置框(11)，所述支撑架(1)的底部外侧设有数据传输口(12)以及供电接口(13)。

2.根据权利要求1所述的一种水凝胶颗粒强度测定装置，其特征在于，所述颗粒放置框(11)包括放置板(111)以及2个相互对称垂直设置于放置板(111)两侧的固定板(112)，所述放置板(111)的顶部间隔设有若干个球形放置槽(14)，所述球形放置槽(14)内沿底部中心向外侧扩散设有若干个刻度环(15)。

3.根据权利要求2所述的一种水凝胶颗粒强度测定装置，其特征在于，2个所述固定板(112)向纵向方向延伸设有安装部(16)，所述固定块(7)的两相对的外侧壁设有与安装部(16)相互配合的安装槽(17)。

4.根据权利要求1所述的一种水凝胶颗粒强度测定装置，其特征在于，所述加压板(3)的底部设有第二凹槽(18)，所述第二凹槽(18)内设有光源装置(19)，所述加压板(3)的底部设有用于封盖第二凹槽(18)的第二透明板(20)。

5.根据权利要求1所述的一种水凝胶颗粒强度测定装置，其特征在于，所述数据传输口(12)连接有移动端设备或计算机中的一种。

6.一种用于权利要求1-5任意一项所述水凝胶颗粒强度测定装置的水凝胶颗粒强度测定方法，其特征在于，所述水凝胶颗粒强度测定方法的具体步骤如下：

获取第一投影图像，所述第一投影图像为水凝胶颗粒在球形放置槽(14)内侧的投影和球形放置槽(14)内的刻度环(15)的叠加投影图像；

对所述第一投影图像进行预处理，得到预处理后的第一投影图像，预处理后的所述第一投影图像包括第一覆盖区域以及至少一个刻度环(15)；

基于预设的图像特征提取模型，提取所述第一覆盖区域的第一中心点位置特征，以及多个所述第一中心点位置到所述第一覆盖区域边缘部的第一距离值；

将多个所述第一距离值进行平均计算，得到初始距离值；

在水凝胶颗粒被挤压的过程中，以及按照预设的间隔时间持续获取第二投影图像，以及按照上述步骤对第二投影图像进行预处理，得到第二覆盖区域以及至少一个刻度环(15)；

基于预设的图像特征提取模型，提取所述第二覆盖区域的第二中心点位置特征，以及多个所述第二中心点位置到所述第二覆盖区域边缘部的第二距离值；

将所述第一距离值和第二距离值进行差值化处理，获得多个第一差值；

将多个所述第一差值进行绝对值平均计算，得到第二差值；

获取所述第二差值与所述初始距离值的比值，即得到第二覆盖区域的形变比例值，通过所述形变比例值的大小，判断所述水凝胶颗粒的强度大小。

7.根据权利要求6所述的一种水凝胶颗粒强度测定方法，其特征在于，所述预处理包括图像灰度、杂质去除以及反差对比处理。

8.根据权利要求6所述的一种水凝胶颗粒强度测定方法，其特征在于，所述图像特征提取模型的构建步骤如下：

获取样本投影图像，对所述样本投影图像的中心点以及边缘部进行标记，构建样本数据图像集以及样本特征数据集；

利用循环神经网络对样本数据图像集以及样本特征数据集进行训练，构建所述图像特征提取模型。

9.根据权利要求6所述的一种水凝胶颗粒强度测定方法，其特征在于，所述通过所述形变比例值的大小，判断所述水凝胶颗粒的强度大小具体为：所述形变比例值越大，则所述水凝胶颗粒的强度越大；所述形变比例值越小，则所述水凝胶颗粒的强度越小。

10.根据权利要求6所述的一种水凝胶颗粒强度测定方法，其特征在于，所述测定方法还包括以下步骤：

基于预设的图像特征提取模型，提取多个所述第一覆盖区域边缘部到最外侧所述刻度环(15)的最小距离值；

依次比较相邻两处所述最小距离值，若多个相邻所述最小距离值的差值超过预设阈值，则判断所述水凝胶颗粒发生破损，记录破损时刻的伸缩形变比例值，作为该水凝胶颗粒的最大强度。