基于压电-热电偶阵列、光学集成的聚合物成型检测装置

技术领域

本发明涉及聚合物成型加工检测领域，尤其涉及一种基于压电-热电偶阵列、光学集成的聚合物成型检测装置。

背景技术

聚合物微成型技术是国家未来战略新兴产业发展的主攻方向之一。它以其独特的高集成度、高效低碳和低成本、节约资源等制造优势，在消费电子、信息通讯、计算机、汽车、能源、医疗、国防等领域应用广泛。

聚合物微成型制造技术主要包括：微注塑、微挤出、微发泡、微纳3D打印等。微注塑用于大批量生产整体尺寸、特征功能区或公差要求以毫米甚至微米计的制品，如精密光学镜片、车灯零部件等。微挤出一般采用特定形状的机头口模，辅以拉伸连续成型微米级特征尺寸的制品，例如各种医用微管的制备。微发泡通过特殊工艺调控或添加发泡剂，制成内部含有几十微米到几百微米泡孔的多孔聚合物制品。微纳3D打印的精度理论上能达到细观、微观或纳观级别，用于个性化复制微小结构，但目前其打印速度和产能有限。与实验室各种原型化的微成型方式相比，上述聚合物细微结构制造技术不仅可以实现轻量化、高精度、高性能微结构产品的大批量制备，同时也更节省原材料、更经济节能。聚合物熔体温度和压力的变化贯穿了上述所有微成型技术的工艺过程，是调控细微结构制品质量连续一致性的关键参量。同时，聚合物微成型由于流动或冷却产生的内应力极大影响制品质量，对其在线检测至关重要。

当前，聚合物细微结构制造检测领域相对薄弱，微成型过程聚合物熔体流动的信息检测仍存在巨大困难，常规传感器存在探头直径大、侵入式、延迟等缺点，无法满足聚合物微成型过程原料性质波动、设备性能及外部环境变化、辅助成型工艺等因素影响下精确检测全局聚合物熔体信息的需求。综上所述，现有技术仍无法直接应用于实际生产过程中，实现微成型中熔体状态的检测仍存在诸多困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于压电-热电偶阵列、光学集成的聚合物成型检测装置。

具体技术方案如下：

一种基于压电-热电偶阵列、光学集成的聚合物成型检测装置，包括：微阵列组件、温度控制组件、光学-应力测量组件、基本组件；

所述基本组件包括：同轴布置的绝热套、外缘层、测量通道；所述测量通道为微阵列结构通道，微成型过程中，聚合物熔体在测量通道内沿轴向流动；所述外缘层布置在测量通道的外侧，所述绝热套布置在外缘层的外侧；

所述温度控制组件包括加热线圈和冷却水路，所述加热线圈布置在外缘层的外侧，外部再包覆绝热套，用于给测量通道内的聚合物熔体均匀加热；所述冷却水路布置在外缘层中，用于使测量通道内的聚合物熔体均匀冷却；

所述微阵列组件包括两个热电偶传感阵列和两个压电传感阵列；两个热电偶传感阵列相对布置在测量通道内壁的表面，用于检测测量通道内聚合物熔体的温度；压电传感阵列与热电偶传感阵列层叠式布置，且热电偶传感阵列位于压电传感阵列与测量通道内壁之间，两个压电传感阵列的厚度相同且位置相对，用于检测测量通道内聚合物熔体的压力；

所述光学-应力测量组件的光轴与测量通道的轴线垂直布置，借助应力双折射原理的光路设计，通过偏振光和CCD相机检测聚合物熔体的内应力。

进一步地，所述光学-应力测量组件包括：同光轴依次布置的光源、单色仪、准直镜、起偏镜、石英光学窗口、分析镜、CCD相机；所述石英光学窗口有两个，分别开设在测量通道相对的侧壁上；所述光源发出的光经过单色仪变为单色光，单色光依次经过准直镜和起偏镜变为偏振光，通过一个石英光学窗口射入测量通道内的聚合物熔体，再从另一个石英光学窗口射出；由于偏振光在非均质的聚合物熔体中发生双折射，双折射后的光干涉叠加，透过分析镜后，在CCD相机中呈现出双折射条纹图案。

进一步地，所述加热线圈沿轴向均匀布置在外缘层的外侧，所述冷却水路沿测量通道的轴向均匀缠绕。

进一步地，所述冷却水路平行于测量通道的轴线并沿其周向均匀布置。

进一步地，所述测量通道的截面形状为圆或矩形或三角形或梯形。

一种基于压电-热电偶阵列、光学集成的聚合物成型检测方法，基于所述的基于压电-热电偶阵列、光学集成的聚合物成型检测装置实现，具体为：

在微成型的过程中，聚合物熔体在测量通道内部沿轴向流动，此时压电传感阵列根据压力与电势之间的关系检测聚合物熔体的压力，根据压力与电势之间的关系表达式如下：

式中，P为聚合物熔体的压力，V

所述热电偶传感阵列利用热电效应检测聚合物熔体的温度，温度与电势之间的关系表达式如下：

T＝c

式中，T为聚合物熔体的温度，c

所述光学-应力测量组件检测聚合物熔体的内应力，光学CCD相机中的光学条纹数与内应力之间的关系表达式如下：

式中，N为光学条纹数，C为光弹性系数，λ为入射光的波长；σ

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过层叠式阵列和光学集成组合设计，开发了一套便于集成的高精度聚合物熔体信息测量装置，克服常规传感器存在探头直径大、侵入式、延迟等缺点，能实现对微成型测量通道内全域聚合物熔体状态信息的采集。

(2)本发明装置集成了光学-应力测量组件，可研究微成型聚合物熔体非线性流变行为以及发生壁滑、剪切生热与不稳定流动等特异流变现象的临界条件与规律，建立聚合物熔体黏度、弹性的测量和表征方法，对于促进微成型检测学科的发展和开拓聚合物微结构精密智能制造新领域具有重要作用。

附图说明

图1是本发明基于压电-热电偶阵列、光学集成的聚合物成型检测装置示意图。

图2是本发明异型的测量通道及层叠式网格化微阵列设计示意图。

图3是本发明的光学-应力测量组件的结构示意图。

图4是本发明CCD相机上呈现的双折射光学条纹图案示意图。

图5是本发明基于压电-热电偶阵列、光学集成的聚合物成型检测方法的流程示意图。

图6是本发明压电传感阵列的检测原理示意图。

图7是本发明热电偶传感阵列的检测原理示意图。

图中，微阵列组件1、温度控制组件2、光学-应力测量组件3、基本组件4、上热电偶传感阵列101、上压电传感阵列102、下压电传感阵列103、下热电偶传感阵列104、加热线圈201、冷却水路202、光源301、单色仪302、准直镜303、起偏镜304、石英光学窗口305、分析镜306、CCD相机307、绝热套401、外缘层402、测量通道403。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，基于压电-热电偶阵列、光学集成的聚合物成型检测装置，包括：微阵列组件1、温度控制组件2、光学-应力测量组件3、基本组件4。

基本组件4包括：绝热套401、外缘层402、测量通道403。测量通道403为微阵列结构通道，微成型过程中，聚合物熔体在测量通道403内流动。绝热套401、外缘层402、测量通道403依次同轴布置，其中外缘层402周向均匀布置在测量通道403的外侧，起固定作用；绝热套401周向均匀布置在外缘层402的外侧，起隔绝外部环境影响的作用。

温度控制组件2包括加热线圈201和冷却水路202，冷却水路202和加热线圈201均环向布置在测量通道403的外侧。加热线圈201沿轴向均匀布置在外缘层402的外侧，外部再包覆绝热套401，用于给测量通道403内部流动的聚合物熔体均匀加热。冷却水路202均匀布置在外缘层402中，可以沿测量通道403的轴向均匀缠绕，也可以平行于测量通道403的轴线并沿其周向均匀布置，用于使测量通道403内部流动的聚合物熔体均匀冷却。温度控制组件2用于恒定调节测量通道403内的温度，并使温度均匀。

微阵列组件1包括：上热电偶传感阵列101、上压电传感阵列102、下压电传感阵列103、下热电偶传感阵列104。上热电偶传感阵列101布置在测量通道403内壁的上表面，下热电偶传感阵列104布置在测量通道403内壁的下表面，两个热电偶传感阵列的规格相同且位置相对，上热电偶传感阵列101、下热电偶传感阵列104均用于检测测量通道403内部流动的聚合物熔体的温度。上压电传感阵列102与上热电偶传感阵列101层叠式布置，且上热电偶传感阵列101位于上压电传感阵列102与测量通道403内壁之间；下压电传感阵列103与下热电偶传感阵列104层叠式布置，且下热电偶传感阵列104位于下压电传感阵列103与测量通道403内壁之间；两个压电传感阵列的规格相同(特指厚度相同)且位置相对，上压电传感阵列102、下压电传感阵列103均用于检测测量通道403内部流动的聚合物熔体的压力。相比常规传感器采用探头的检测，层叠式传感设计克服了其直径大、侵入式、延迟等不足，满足聚合物微成型过程原料性质波动、设备性能及外部环境变化、辅助成型工艺等因素影响下精确检测全局聚合物熔体信息的需求。

如图2所示，微阵列组件1的布置并不局限于测量通道3的截面形状，对于截面形状为圆、矩形、三角形、梯形等各类异形微通道，本发明所用的微阵列组件1只需进行相应的网格化微阵列设计便均能适用，进而对测量通道403内部流动的聚合物熔体状态进行检测。

如图3所示，光学-应力测量组件3包括：同光轴依次布置的光源301、单色仪302、准直镜303、起偏镜304、石英光学窗口305、分析镜306、CCD相机307。光学-应力测量组件3的光轴与测量通道403的轴线垂直，借助应力双折射原理的光路设计，通过偏振光和CCD相机检测聚合物熔体的内应力。光源301发出的光经过单色仪302变为单色光，单色光依次经过准直镜303和起偏镜304变为偏振光；石英光学窗口305有两个，分别开设在测量通道403相对的侧壁上；偏振光从一个石英光学窗口305透射射入测量通道403内部流动的聚合物熔体，再从另一个石英光学窗口305射出；由于偏振光在测量通道403内非均质的聚合物熔体中发生双折射，双折射后的光干涉叠加，透过分析镜306后，在CCD相机307中呈现出如图4所示的双折射光学条纹，图中的光学条纹间距反映了测量通道403中聚合物熔体内部的应力场分布。本发明的设计突破了传统离线仅能检测凝结聚合物固体的局限，实现聚合物成型过程熔体流动过程内应力的在线监测。

如图5所示，基于上述基于压电-热电偶阵列、光学集成的聚合物成型检测装置，提出一种基于压电-热电偶阵列、光学集成的聚合物成型检测方法，具体为：

在微成型的过程中，聚合物熔体在测量通道403内部沿轴向流动，此时上压电传感阵列102、下压电传感阵列103根据压力与电势之间的关系检测聚合物熔体的压力，检测原理如图6所示，压力与电势之间的关系表达式如下：

式中，P为聚合物熔体的压力，V

上热电偶传感阵列101、下热电偶传感阵列104利用热电效应检测聚合物熔体的温度，检测原理如图7所示，温度与电势之间的关系表达式如下：

T＝c

式中，T为聚合物熔体的温度，c

光学-应力测量组件3检测聚合物熔体的内应力水平，光学CCD相机307中的光学条纹数与内应力之间的关系表达式如下：

式中，N为光学条纹数，C为光弹性系数，λ为入射光的波长；σ

本发明通过层叠式阵列和光学集成设计，开发一套便于集成的高精度聚合物熔体信息测量装置，可研究微成型聚合物熔体非线性流变行为以及发生壁滑、剪切生热与不稳定流动等特异流变现象的临界条件与规律，建立聚合物熔体黏度、弹性的测量和表征方法，对于促进微成型检测学科的发展和开拓聚合物细微结构精密智能制造新领域具有重要作用。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。