CN208071854U - 用于监控通过电纺丝或静电纺丝来生产纳米纤维的过程的装置 - Google Patents

用于监控通过电纺丝或静电纺丝来生产纳米纤维的过程的装置 Download PDF

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Abstract

一种用于监控通过电纺丝或静电纺丝来生产纳米纤维的过程的装置，所述装置包括光源(3)、具有至少为1920像素的水平分辨率以及至少为每秒80帧的帧速率的相机(1)，所述相机设置有具有至少为150mm的焦距并且至少为f/4的亮度的微距镜头(2)，并且所述相机连接到或可连接到评估单元(6)，由此具有所述微距镜头(2)的所述相机(1)的分辨率至少为20μm/1像素。

Description

用于监控通过电纺丝或静电纺丝来生产纳米纤维的过程的 装置
技术领域
本技术方案涉及一种高速监控通过静电纺丝来生产纳米纤维的过程的装置。
背景技术
通常用高速监控来了解微观层面上发生的非常快的过程。通常使用的光学显微镜或显微摄影中的工作距离(即物镜的镜头与观察对象之间的距离)通常可达100mm。然而，用于监控通过静电纺丝来生产纳米纤维的过程(其在高达100kV的高压下进行)的最小安全距离要大几倍。例如，对于实验室装置NS LAB(Elmarco)来说，距离纺丝电极的最小安全距离是410mm，对于最小的工业装置NanospiderTM(Elmarco)来说，最小安全距离是500mm。由于这个事实，标准的光学显微镜或显微摄影不能用来监控通过静电纺丝来生产纳米纤维的过程。目前，没有任何装置或方法可以允许高速监控这个过程，或者获得该过程的高速记录。
因此，本技术方案的目标是提供一种用于高速监控通过静电纺丝来生产纳米纤维的过程的装置。
实用新型内容
该技术方案的目标是通过用于高速监控通过静电纺丝来生产纳米纤维的过程的装置来实现的，其原理在于该装置包含光源、具有至少为1920像素的水平分辨率以及至少为 80帧/秒的帧速率的相机，其具有至少为150mm的焦距并且至少为f/4的亮度的微距镜头。具有微距镜头的相机的分辨率至少为20微米/1像素。相机连接到或可连接到评估单元。这种布置允许以高分辨率和高帧速率获得对通过静电纺丝生产纳米纤维过程的高速记录，所述记录被用于后续的可视化分析或软件分析。
基于LED的光源优选用作光源。它的优点是不会影响通过热辐射监控的过程。特别适合于此目的的是平面光源，例如COB LED光源，其由安装在晶圆上的一组LED形成，其光被集中到窄的光锥中。由COB LED光源发出的光在至少500mm的距离处的强度优选为至少50,000lx。
如果需要，例如当使用所谓的遮光照明方法时，光源设置有由半透明材料制成的遮光罩。
为了用于监控纺丝过程的装置的更大的灵活性，相机和/或光源被安装在支架上，其具有在至少一个水平和/或竖直轴线上和/或围绕至少一个这样的轴线移动的可能性。
相机优选为具有设定图像高度的能力的工业相机，因为图像高度的可能的降低允许扫描速度的进一步提高。在一个优选的变型中，使用具有比可比彩色相机更高的传感器灵敏度的单色相机。
为了获得更大的经测量的放大率，可以在相机和微距镜头之间插入至少一个隔离环，其物理性地增加镜头和相机传感器之间的距离，由此增加被扫描对象的尺寸(scale)。
然后，对通过静电纺丝来生产纳米纤维的过程的高速记录在评估单元中被存储和/或评估和/或调整。优选地，该单元例如是PC或另一类似的装置。
附图说明
图1是根据技术方案的监控通过静电纺丝来生产纳米纤维的过程的装置的变型的示意图，该装置被布置成使用所谓的遮光照明方法来监控静电纺丝过程，图2是布置成使用所谓的远心照明方法来监控静电纺丝过程的装置的替代实施例的示意图，以及图3是布置成使用所谓的反射照明方法来监控静电纺丝过程的装置的替代实施例的示意图。
引用列表
1 相机
2 微距镜头
21 支架
3 光源
4 半透明遮光罩
41 反射镜
42 暗淡的黑色背景
5 纺丝室
51 纺丝电极
6 评估单元
X 光锥
X1 折射光的一部分
具体实施方式
根据图1-3所示的技术方案，用于高速监控通过聚合物溶液或熔体的静电纺丝来生产纳米纤维的过程的装置包括光源3和具有微距镜头2的相机1，相机1连接到或可连接到评估单元6。在图1所示的实施例的变型中，光源3还设置有由半透明材料制成的遮光罩 4。
相机1优选为具有对角线为1/1.2英寸(25.4/30.48mm)且至少为1920像素的水平分辨率的传感器的工业相机。相机1设置有中央快门。扫描速度至少为每秒80帧，由此图像高度可能的降低允许扫描速度进一步增加到每秒100帧以上。最合适的相机看起来是单色的工业相机，它具有比可比彩色(comparable color，RGB)相机更高的传感器灵敏度。
微距镜头2具有大于150mm的焦距和至少f/4的亮度。如果需要的话，可以在相机 1和微距镜头2之间插入至少一个隔离环，以物理性地增加镜头2和相机传感器1之间的距离，由此增加被扫描对象的尺寸。
微距镜头2的分辨率由下式确定：
其中x是微距镜头2的分辨率，单位是微米，D是微距镜头2与被扫描对象之间的距离，单位是mm，λ是所使用的光的波长，单位是nm，以及A是微距镜头2的入射孔径，单位是英寸。
需要至少20μm/像素的分辨率来监控来自由绳索形成的(例如根据EP 2173930)纺丝电极51的聚合物溶液或熔体的静电纺丝过程，以从0.1毫米识别结构的形状。
例如，如果微距镜头2具有1.5至5英寸(38.1至127mm)的入口孔径，则微距镜头2与被扫描对象的距离为500mm，并且光源3发射中值波长λ＝560nm的光，微距镜头 2的分辨率为17.9-5.4μm，这接近要求的对象分辨率极限。
由于纺丝室5内部的高压，对于NanospiderTM工业设备(Elmarco)而言，距离纺丝电极51的最小安全距离至少为500mm，或者，对于实验室设备NS LAB(Elmarco)而言，最小安全距离至少为410mm。因此，增加微距镜头的分辨率的唯一有效选择是增加其入口孔径。为了高速监控通过静电纺丝来生产纳米纤维的过程，具有1.5至5英寸入口孔径的微距镜头2的分辨率就足够了。当孔径进一步增加时，装置的成本和总体尺寸不成比例地上升。
例如，具有焦距为200mm的微距镜头2、具有对角线为1/1.2英寸(25.4/30.48mm)的传感器的工业相机可以以10至20微米/像素的分辨率监控水平长度大约为20至40mm 的视场。
相机1的传感器的水平尺寸与由相机1扫描的对象的水平尺寸的比率指示测量的放大率。例如，如果被扫描对象的水平尺寸是26.9mm并且相机1的传感器的水平尺寸是11.3mm，则测量的放大率是0.42。如果在相机1和微距镜头2之间插入长度为68mm的间隔环，则被扫描对象的水平尺寸变为20.2mm，并且测量的放大率增加到0.56，对图像质量没有明显的影响。
为了灵活地安装相机1，具有微距镜头2的相机1被安装在支架21上，其有利地允许其在至少一个水平和/或竖直轴线上和/或围绕至少一个这样的轴线移动。
作为光源3，优选使用基于LED的光源，其不会影响通过热辐射监控的过程。最合适的光源例如是COB LED型的平面光源3，它是安装在晶圆上的一组LED，其光被集中到窄的光锥X中，以提供均匀的照明。所使用的COB LED照明所发出的光在至少500mm 的距离处的强度优选为至少50000lx。
为了灵活地安装光源3，将光源3安装在支架上，其有利地允许其在至少一个水平和 /或竖直轴线上和/或围绕至少一个这样的轴线移动。
在高速监控通过静电纺丝来生产纳米纤维的过程中，借助于微距镜头2，相机1扫描纺丝室5的发生静电纺丝的纺丝室5的部分内部空间的透明壁-例如纺丝电极51的表面或其周围。然后该空间由光源3从纺丝室5的相对侧照射穿过透明壁。
为了提供纺丝室5的均匀照明(在纺丝室5中没有信息由于亮度的变化而丢失或失真)，可以使用三种不同的照明方法。
第一种是所谓的遮光照明方法。在这种情况下，光源3布置在相机1的微距镜头2的光轴上。由例如乳玻璃、塑料、矿物或箔制成的半透明遮光罩4布置在纺丝室5的壁内或者在光源3与纺丝室5的透明壁之间。根据所使用的材料，遮光罩4的厚度在3至20mm 的范围内。光源3被定位成使得遮光罩4上的光锥X的直径在15和40mm之间的范围内。
在另一个变型中(例如，参见图1)，光源3可以安装在相机1的微距镜头2的光轴的外侧。这样做时，反射镜41或光学棱镜安装在光源3和遮光罩4之间。然后来自光源3 的光被相机1的微距镜头2的光轴上的反射镜41或棱镜反射。
在这种照明模式下，相机1的微距镜头2中的遮光罩4被显示为理想的白色背景，并且放置在其前面的物体(即，纺丝电极51的表面、形成的纳米纤维等)以深色阴影显示。这种照明方法使得能够使用非常短的曝光时间，这适合于扫描非常快的过程。它的缺点是被扫描对象的边缘发生光散射，这就要求扫描的图像要用软件锐化或适当地进行阈值处理。
第二个变型是所谓的远心方法。根据技术方案的高速监控通过静电纺丝来生产纳米纤维的过程的装置的布置与前述方法相同，不同之处在于，远心光的光源3和纺丝室5的壁之间没有插入遮光罩4(例如，参见图2)。在这种情况下，远心光经过感测对象，均匀地穿过纺丝室5。这种方法的优点是非常清晰地显示对象轮廓(例如液体-空气界面)。它的缺点可能在于感测图像的深度较大，并且在背景中投射了诸如飞行的微米或纳米纤维之类的不需要的伪影(artifacts)，这使得后续的图像分析变得更加困难。
第三个变型是所谓的反射方法。在这种情况下，光源3没有布置在相机1的微距镜头2的光轴上。然后，来自光源3的光以一定角度通过纺丝室5，并且在接触纺丝电极51 表面上的聚合物溶液或熔体后，发生光的折射(例如，参见图3)。只有该光线的一部分 X1落在相机的微距镜头2上，然后落在其传感器上。在这种照明方法中，暗淡的黑色背景 42有利地被布置在扫描对象的后面。这种方法的缺点是落在相机的微距镜头2上的光量较少，需要较长的曝光时间。
在所有这些情况下，由相机1获得的记录被存储在评估单元6中，由此可以在进一步处理或使用之前对其进行调整(例如，通过锐化、过滤等)。
工业适用性
根据该技术方案的高速监控装置尤其可用于监控通过静电纺丝来生产纳米纤维的过程。此外，还可以用于对其他微观过程的高速监控，尤其是那些不可能将测量设备放置在被测对象附近的微观过程，例如在高电场或高磁场的环境中、使用易燃易爆物品等。

Claims (11)

1.一种用于监控通过电纺丝或静电纺丝来生产纳米纤维的过程的装置，其特征在于，所述装置包括光源(3)、具有至少为1920像素的水平分辨率以及至少为每秒80帧的帧速率的相机(1)，所述相机(1)设置有具有至少为150mm的焦距并且至少为f/4的亮度的微距镜头(2)，并且所述相机(1)连接到或可连接到评估单元(6)，由此具有所述微距镜头(2)的所述相机(1)的分辨率至少为20μm/1像素。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源(3)是基于LED的照明光源。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述基于LED的照明光源是平面COB LED照明光源。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光源(3)设置有由半透明材料制成的遮光罩(4)。
5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述光源(3)安装在支架上，具有在至少一个水平和/或竖直轴线上移动的可能性和/或围绕至少一个这样的轴线旋转的可能性。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相机(1)安装在支架(21)上，具有在至少一个水平和/或竖直轴线上移动的可能性和/或围绕至少一个这样的轴线旋转的可能性。
7.根据权利要求1或6所述的装置，其特征在于，所述相机(1)是单色的。
8.根据权利要求1或6中任一项所述的装置，其特征在于，在所述相机(1)和所述微距镜头(2)之间设置有至少一个隔离环。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述评估单元(6)是PC。
10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光源(3)安装在支架上，具有在至少一个水平和/或竖直轴线上移动的可能性和/或围绕至少一个这样的轴线旋转的可能性。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，在所述相机(1)和所述微距镜头(2)之间设置有至少一个隔离环。
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