一种喷雾特性参数检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种喷雾特性参数检测装置。本实现新型喷雾特性参数检测装置包括：二维扫描检测装置、激光粒度仪系统和高速摄像机图像采集系统；所述二维扫描检测装置包括支撑台架，二维移动单元，线性模组，光栅尺，伺服驱动单元和伺服控制单元；所述激光粒度仪系统由激光光源部分和激光接收部分组成，所述激光光源部分包括激光光源和光源调整平台。本实用新型能够全自动调节喷嘴的位置及喷雾气压、液压、流量及喷嘴脉冲频率等参数，能够实现脉冲喷嘴在高速摄像机和激光粒度仪两者之间的移动，能够利用高速摄像机和激光粒度仪精确测量喷雾参数。
【专利说明】一种喷雾特性参数检测装置
【技术领域】
[0001]本实用涉及检测仪器【技术领域】，特别涉及一种生物基材料成型技术及装备领域中喷雾特性参数检测装置。
【背景技术】
[0002]包装是食品制造过程的独立元素，给人们生活带来便利。绿色包装是实现包装工业可持续发展，减少因包装而带来的环境污染问题的重要途径，可食性包装膜及蔬菜基材料以其原料来源丰富、可持续、可食、无污染等优越性，成为新兴包装领域研宄的一大热点。蔬菜复合纸大豆蛋白液喷涂技术，采用蛋白液电子脉冲喷涂方法，通过设置脉冲喷涂的流量、气压、液压等相关参数，将特定配比蛋白溶液通过高频脉冲喷嘴喷出，形成扇形喷雾，涂覆在相关基材上，经过烘干、整形，形成复合包装材料。喷涂雾化的物理过程，直接关系复合材料的相关性能指标。喷涂的均匀性，粒径的一致性，喷雾颗粒空间密度分布，喷雾的轮廓，喷雾粒子的速度等性能参数对最终覆膜的性能具有直接而重要的影响。扇形喷雾颗粒的粒径大小、密度分布，粒子速度等物理参数，不仅与喷头物理结构有关，同时与喷雾气压、液压、流量及喷嘴脉冲频率直接相关。针对不同参数下喷雾的雾化性能，需要设计大量的比对实验。不仅要测量喷雾的轮廓造型，喷雾粒子速度，还需要研宄喷雾的粒径分布。
[0003]由于喷雾本身存在气液两相流的物理特性，在空间中分布较为复杂。在扇形喷雾轮廓内部，喷雾的空间密度、喷雾的轮廓、喷雾粒子速度及粒径分布随着喷涂参数的变化而变化。在某一确定喷涂参数条件下，喷雾的粒径分布、喷雾的轮廓、喷雾粒子速度与扇形喷雾空间密度分布形成某种动态稳定状态。研宄人员利用高速摄像机得到喷雾的轮廓、计算得出喷雾粒子速度；利用激光粒度仪能够检测到空间中某喷雾确定位置的相关粒径大小。扇形喷雾在空间中，不同位置的喷雾粒径和速度存在不同的分布特性。局限于高速摄像机和激光粒度仪设备的使用方式，很难将其移动来实现对喷雾轮廓内各个位置进行实时测量，进而难以从宏观和微观上同时表述喷雾在空间中整体的喷涂特性与雾化情况。
实用新型内容
[0004]本实用的目的是要解决同时从宏观和微观上观察喷雾雾化情况检测技术的局限与不足，提供一种扇形喷雾特性参数检测装置。基于高速摄像机采集到的图像宏观得到喷雾的外形轮廓，并由计算机处理得到喷雾角度和喷雾粒子速度，由激光粒度仪检测粒径，同时实用二维扫描移动检测装置，使得脉冲喷嘴能够沿着竖直和水平方向及在高速摄像机和激光粒度仪两者之间精确移动。
[0005]本实用一种喷雾特性参数检测装置，包括二维扫描检测装置、激光粒度仪系统和高速摄像机图像采集系统；所述二维扫描检测装置包括支撑台架，二维移动单元，线性模组，光栅尺，伺服驱动单元和伺服控制单元；所述激光粒度仪系统由激光光源部分和激光接收部分组成，所述激光光源部分包括激光光源和光源调整平台，激光光源内安装透镜；激光接收部分包括激光接收器、镜头、针孔和接收器调整平台，镜头安装在激光接受器的前端，镜头前方的调整平台顶端安装针孔；
[0006]所述支撑台架由左底座、右底座、左立架、右立架、横梁、底架和支撑架固定组成；二维移动单元由水平直线导轨、左垂直导轨、右垂直导轨和底架直线导轨组成；水平直线导轨固定在支撑架前侧面，光栅尺固定在支撑架上表面，水平直线导轨内安装水平线性模组，移动平台与水平线性模组固定，喷嘴安装在移动平台上，喷嘴连接喷雾控制系统；左垂直导轨固定于左立架上，左垂直线性模组固定于左垂直导轨内，右垂直导轨固定于右立架上，右垂直线性模组固定于右垂直导轨内，支撑架的两端分别设置于左垂直导轨和右垂直导轨内，左立架和右立架的外侧面分别安装光栅尺；底架上固定安装有底架线性模组的底架直线导轨，底架前侧面安装光栅尺，左立架和右立架的底端分别固定于底架线性模组；移动平台安装图像标定板；
[0007]伺服驱动单元由驱动喷嘴的水平移动伺服电机、驱动支撑架的左垂直移动伺服电机、右垂直移动伺服电机和驱动左立架和右立架的私服电机组成，伺服控制单元控制伺服驱动单元；伺服控制单元连接控制计算机，激光接收器连接控制计算机；
[0008]所述高速摄像机图像采集系统由高速摄像机、光源和图像处理计算机组成，高速摄像机位于正对喷嘴位置，高速摄像机连接图像处理计算机；高速摄像机安装在设置调整云台19的三脚架20上；
[0009]激光光源部分和激光接收部分水平对置，喷嘴置于激光光源部分和激光接收部分之间空间的上部位置，喷雾垂直向下喷出，利用喷嘴的移动，实现基于激光粒度仪的喷雾粒径二维扫描检测。
[0010]所述线性模组是基于滚珠丝杠驱动的，所述水平直线导轨、左垂直导轨、右垂直导轨和和底架直线导轨的的两端分别安装极限位置限位器。
[0011 ] 所述伺服驱动单元通过联轴器将伺服电机与线性模组连接。
[0012]本实用喷雾特性参数检测方法，按照下述步骤进行:
[0013]S1:安装需要进行测试的脉冲喷嘴，并调整脉冲喷嘴位置，保证脉冲喷嘴垂直向下；
[0014]S2:安装调节高速摄像机，调整脉冲喷嘴位置，使脉冲喷嘴与高速摄像机在正对位置；
[0015]S3:安装调节激光粒度仪，并保证激光粒度仪两分体部分之间有足够的空间能够放置喷雾特性参数检测装置；
[0016]S4:启动控制计算机通过控制水平直线移动单元及两竖直直线移动单元驱动伺服电机使左立架和右立架和支撑架配合高速摄像机，处于合理的高度；通过控制水平直线移动单元驱动伺服电机使得脉冲喷嘴配合高速摄像机，处于合适位置；启动图像处理计算机，调整高速摄像机的焦距，合理的布置光源的位置并调节其亮度，清晰的采集到图像标定板的图像，提高测量精度；
[0017]S5:之后，通过控制计算机控制水平直线移动单元及两竖直直线移动单元，驱动伺服电机使左立架和右立架及支撑架配合激光粒度仪，处于合理的高度；通过控制底架直线移动单元，驱动伺服电机使得脉冲喷嘴配合激光粒度仪，处于激光粒度仪发射出激光的正上方；
[0018]S6:启动喷雾控制系统，设置喷雾气压、液压，以及脉冲喷涂的频率；
[0019]S7:喷雾稳定后，启动移动单元，记录在不同的喷雾气压、液压，以及脉冲喷涂的频率下高速摄像机所采集到的图像，通过图像处理计算机处理，可以得到喷雾轮廓造型喷雾角、喷雾颗粒飞行速度并且可以直观的看出喷雾宏观二维分布；在喷雾图像采集结果的基础上，根据喷雾轮廓及宏观二维分布，根据设计好的路径，调整喷嘴和激光粒度仪发出激光的相对位置，在前面的基础上，测量喷雾粒径；
[0020]S8:每次移动过的距离，以及在某一位置停留的时间由操作者自行决定。移动最短距离由伺服电机反馈单元的最小驱动角度决定，在保证采集高速摄像机和激光粒度仪最短的时间条件下，停留时间可以任意设定；
[0021]S9:重复步骤S1-S8，对不同的喷涂参数条件下的喷雾参数进行测试。
[0022]与现有技术相比，本实用的有益效果是:
[0023]本实用能够全自动调节喷嘴的位置及喷雾气压、液压、流量及喷嘴脉冲频率等参数，能够实现脉冲喷嘴在高速摄像机和激光粒度仪两者之间的移动，能够利用高速摄像机和激光粒度仪精确测量喷雾参数，并且自动化程度高，操作简单，测量结果精度高。
[0024]本实用采用机电一体化的设计，整个过程都可以由计算机控制进行，测试结果直接以报告和图片的形式打印出来。试验结果可以保存到数据库，可在数据库中查看不同脉冲喷嘴和不同条件下的喷雾参数，进行比较，从而得到适合于生产实际的脉冲喷嘴和工作参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本实用结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]以下结合附图和具体实施例对本实用作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用，并不用于限定本实用。
[0027]如图1所示，二维扫描检测装置、激光粒度仪系统和高速摄像机图像采集系统；所述二维扫描检测装置包括支撑台架，二维移动单元，线性模组，光栅尺，伺服驱动单元和伺服控制单元；
[0028]所述激光粒度仪系统由激光光源部分和激光接收部分组成，所述激光光源部分包括激光光源28和光源调整平台14，激光光源内安装透镜；激光接收部分包括激光接收器13、镜头16、针孔和接收器调整平台，镜头安装在激光接受器的前端，镜头前方的调整平台顶端安装针孔；
[0029]所述支撑台架由左底座38、右底座23、左立架39、右立架10、横梁7、底架25和支撑架32固定组成；二维移动单元由水平直线导轨、左垂直导轨、右垂直导轨和底架直线导轨组成；水平直线导轨固定在支撑架前侧面，光栅尺31固定在支撑架上表面，水平直线导轨内安装水平线性模组33，移动平台与水平线性模组固定，喷嘴36安装在移动平台37上，喷嘴连接喷雾控制系统；左垂直导轨固定于左立架上，左垂直线性模组5固定于左垂直导轨内，右垂直导轨固定于右立架上，右垂直线性模组34固定于右垂直导轨内，支撑架的两端分别设置于左垂直导轨和右垂直导轨内，左立架和右立架的外侧面分别安装光栅尺6、11 ;底架上固定安装有底架线性模组的底架直线导轨，底架前侧面安装光栅尺26，左立架和右立架的底端分别固定于底架线性模组21 ;移动平台安装图像标定板35 ;水平直线导轨、左垂直导轨、右垂直导轨和底架直线导轨的两端分别安装极限位置限位器2、4、9、22 ;
[0030]伺服驱动单元由驱动喷嘴的水平移动伺服电机、驱动支撑架的左垂直移动伺服电机、右垂直移动伺服电机和驱动左立架和右立架的私服电机组成，伺服控制单元30控制伺服驱动单元；伺服控制单元连接控制计算机29，激光接收器连接控制计算机；
[0031]所述高速摄像机图像采集系统由高速摄像机17、光源27和图像处理计算机18组成，高速摄像机位于正对喷嘴位置，高速摄像机连接图像处理计算机；
[0032]激光光源部分和激光接收部分水平对置，喷嘴置于激光光源部分和激光接收部分之间空间的上部位置，喷雾垂直向下喷出，利用喷嘴的移动，实现基于激光粒度仪的喷雾粒径二维扫描检测。
[0033]使用上述装置的喷雾特性参数检测方法，按照下述步骤进行:
[0034]S1:安装需要进行测试的脉冲喷嘴36，并调整脉冲喷嘴36位置，保证脉冲喷嘴36垂直向下；
[0035]S2:安装调节高速摄像机17，调整脉冲喷嘴36位置，使脉冲喷嘴36与高速摄像机17在正对位置；
[0036]S3:安装调节激光粒度仪，并保证激光粒度仪两分体部分之间有足够的空间能够放置喷雾特性参数检测装置；
[0037]S4:启动控制计算机29通过控制水平直线移动单元及两竖直直线移动单元驱动伺服电机24，3，8使左立架和右立架39，10和支撑架32配合高速摄像机17，处于合理的高度；通过控制水平直线移动单元驱动伺服电机I使得脉冲喷嘴36配合高速摄像机17，处于合适位置；启动图像处理计算机18，调整高速摄像机17的焦距，合理的布置光源27的位置并调节其亮度，清晰的采集到图像标定板35的图像，提高测量精度；
[0038]S5:之后，通过控制计算机29控制水平直线移动单元及两竖直直线移动单元，驱动伺服电机24，3，8使左立架和右立架39，10及支撑架32配合激光粒度仪，处于合理的高度；通过控制底架直线移动单元，驱动伺服电机I使得脉冲喷嘴36配合激光粒度仪，处于激光粒度仪发射出激光的正上方；
[0039]S6:启动喷雾控制系统15，设置喷雾气压、液压，以及脉冲喷涂的频率；
[0040]S7:喷雾稳定后，启动移动单元，记录在不同的喷雾气压、液压，以及脉冲喷涂的频率下高速摄像机17所采集到的图像，通过图像处理计算机18处理，可以得到喷雾轮廓造型喷雾角、喷雾颗粒飞行速度并且可以直观的看出喷雾宏观二维分布；在喷雾图像采集结果的基础上，根据喷雾轮廓及宏观二维分布，根据设计好的路径，调整喷嘴和激光粒度仪发出激光的相对位置，在前面的基础上，测量喷雾粒径；
[0041]S8:每次移动过的距离，以及在某一位置停留的时间由操作者自行决定。移动最短距离由伺服电机反馈单元的最小驱动角度决定。在保证采集高速摄像机和激光粒度仪最短的时间条件下。停留时间可以任意设定；
[0042]S9:重复步骤S1-S8，对不同的喷涂参数条件下的喷雾参数进行测试。
[0043]本实用通过控制伺服驱动单元30，驱动伺服电机1，3，8，24精确运动。使得脉冲喷嘴36，能够在竖直安装的直线移动单元和水平安装的直线移动单元上沿竖直方向和水平方向移动；同时使得左立架和右立架39，10在高速摄像机17和激光粒度仪两者之间移动。利用光栅尺6，11，26，31对直线移动单元的位置检测，得到移动单元的精确位置。
[0044]本实用控制脉冲喷嘴36能够进行水平(X)和垂直(Y)移动，脉冲喷嘴36在两竖直支撑台架39，10中的移动范围为:X:0-400mm Y:0-600mm ;控制左立架和右立架39，10在高速摄像机17和激光粒度仪两者之间移动。
[0045]高速摄像机17正常工作时，可以连续拍摄喷嘴的喷雾图像，采集图像，接着由图像采集卡对图像进行噪声处理，根据图像的噪声特性滤波，提高信噪比，得到更为清晰的图像显示到图像处理计算机18上。由采集到的图像可宏观的看出喷雾的二维分布，但是喷雾的轮廓(喷雾角)，由于受多种因素的影响，从单幅图像中有时不能获得准确的喷雾角度。因此，由采集到的多幅图像，通过图像处理计算机上的matlab软件计算得到喷雾角，取其平均值，即可算出在一定条件下喷雾的轮廓。选择其中的一幅图像，由图像处理计算机上的matlab软件可以得到图像上各处的喷雾颗粒速度。
[0046]由高速摄像机17采集到的结果，可以从宏观上观察出喷雾雾化的情况。在相同参数条件下，移动二维移动单元，使脉冲喷嘴36与激光粒度仪在合适的位置，即工作时喷雾雾滴颗粒在激光粒度仪的镜头12与激光接收器13之间的空间流过。在检测喷雾粒径之前调试激光粒度仪。首先根据所需要的测量范围选择镜头12并安装，之后调整焦距对中，使之能够采集到背景信号显示正常；镜头倍数分为:300、500、800、1000倍四种，根据所测粒子粒径大小选择合适的镜头倍数。
[0047]激光粒度仪正常工作时，激光器发出的光束经过滤波以及扩束后成为平行单色光，当该平行光照射到测量区域中的颗粒群时便会产生光的衍射现象。衍射散射光的强度分布于测量区中被照射的颗粒直径和颗粒数有关系。用接收透镜即傅立叶透镜将衍射散射光汇聚到焦平面上，在焦平面上放置一个多元光电探测器，用来接收衍射光能。光电探测器一般由32个半圆环组成，光电探测器把照射到每个环面上的散射光能换成电信号，在这些电信号中包含有颗粒粒径大小及分布的信息。电信号经过数据采集电路送入计算机，在数据处理过程中，对光能的计算采用归一化处理，同时对颗粒的尺寸分布用百分率表示，多元探测器有32个环，计算机会根据各个环的衍射光能通过一定的反演算法很快解出被测颗粒的粒度分布，并生成相关的测试报告。
[0048]本实用通过控制计算机29精确控制水平方向的直线移动单元，实现脉冲喷嘴36沿水平方向左右移动，激光粒度仪即可测定每条水平直线上雾滴粒度大小。将安装脉冲喷嘴的支撑架32，在竖直安装的两直线移动单元上沿着竖直方向上下移动，激光粒度仪即可测定每条竖直方向上雾滴粒度。通过伺服电机系统实现喷嘴在空间二维平面内移动，激光粒度仪即可将喷雾二维空间粒度分布全部测出。读出相关的测试报告，即从微观的角度检测出在一定条件下喷雾的雾化情况。
[0049]可以根据具体项目要求自主选择脉冲喷嘴，同时调节喷雾气压、液压、流量及喷嘴脉冲频率等参数。针对不同参数下喷雾的雾化性能不同，需要设计大量的比对实验，即可测定出喷雾的雾化情况。从宏观上可以迅速选出雾化情况较好的工作参数，从微观上又为选出较好的雾化参数提供理论支持，最终选择出均匀性强，粒径一致性好等能够较好覆膜的工作参数。
【权利要求】
1.一种喷雾特性参数检测装置，其特征是，包括二维扫描检测装置、激光粒度仪系统和高速摄像机图像采集系统；所述二维扫描检测装置包括支撑台架，二维移动单元，线性模组，光栅尺，伺服驱动单元和伺服控制单元；所述激光粒度仪系统由激光光源部分和激光接收部分组成，所述激光光源部分包括激光光源和光源调整平台，激光光源内安装透镜；激光接收部分包括激光接收器、镜头、针孔和接收器调整平台，镜头安装在激光接受器的前端，镜头前方的调整平台顶端安装针孔； 所述支撑台架由左底座、右底座、左立架、右立架、横梁、底架和支撑架固定组成；二维移动单元由水平直线导轨、左垂直导轨、右垂直导轨和底架直线导轨组成；水平直线导轨固定在支撑架前侧面，光栅尺固定在支撑架上表面，水平直线导轨内安装水平线性模组，移动平台与水平线性模组固定，喷嘴安装在移动平台上，喷嘴连接喷雾控制系统；左垂直导轨固定于左立架上，左垂直线性模组固定于左垂直导轨内，右垂直导轨固定于右立架上，右垂直线性模组固定于右垂直导轨内，支撑架的两端分别设置于左垂直导轨和右垂直导轨内，左立架和右立架的外侧面分别安装光栅尺；底架上固定安装有底架线性模组的底架直线导轨，底架前侧面安装光栅尺，左立架和右立架的底端分别固定于底架线性模组；移动平台安装图像标定板； 伺服驱动单元由驱动喷嘴的水平移动伺服电机、驱动支撑架的左垂直移动伺服电机、右垂直移动伺服电机和驱动左立架和右立架的伺服电机组成，伺服控制单元控制伺服驱动单元；伺服控制单元连接控制计算机，激光接收器连接控制计算机； 所述高速摄像机图像采集系统由高速摄像机、光源和图像处理计算机组成，高速摄像机位于正对喷嘴位置，高速摄像机连接图像处理计算机； 激光光源部分和激光接收部分水平对置，喷嘴置于激光光源部分和激光接收部分之间空间的上部位置，喷雾垂直向下喷出，利用喷嘴的移动，实现基于激光粒度仪的喷雾粒径二维扫描检测。
2.根据权利要求1所述的喷雾特性参数检测装置，其特征是，上述线性模组是基于滚珠丝杠驱动的，所述水平直线导轨、左垂直导轨、右垂直导轨和底架直线导轨的两端分别安装极限位置限位器(2、4、9、22)。
3.根据权利要求1所述的喷雾特性参数检测装置，其特征是，所述伺服驱动单元通过联轴器将伺服电机(1、3、8、24)与线性模组(5、21、33、34)连接。
【文档编号】G01N15/02GK204203039SQ201420486059
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】陈诚, 杨传民, 王心宇, 陈国营, 董肖云 申请人:天津商业大学