一种等离子体处理下的物体表面温度调控方法及系统

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，尤其涉及一种等离子体处理下的物体表面温度调控方法及系统。

背景技术

低温等离子体能够在物体表面处理过程中产生热效应、化学效应和电效应并将其传递给处理物，改变处理物体性能，由于其复杂而特殊的活性效应，它在生物医学、材料处理、环境保护等多个领域受到了广泛研究。

现有的研究中，往往从电学、光学和化学等角度分析等离子体的特性，而温度也是其特性之一，温度控制是一个十分重要的问题。一方面，温度对反应的强度有直接影响，合适的反应温度可以提高等离子体的处理效果，实现均匀的产物分布。另一方面，由于等离子体中离子和电子具有高能量和高温的特点，长时间的温度累积作用到物体上会引起局部高温灼伤等严重后果。因此，等离子体处理物体表面时的温度调控被认为是一个至关重要的问题。

由于温度的变化与等离子体的运动轨迹、距离、流量、电压、气体种类等因素都有直接关系，这是一个复杂的非线性系统，所以这方面的研究仍然存在许多挑战和难点。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

1)目前的等离子体处理物体集中于单点处理，易造成局部的热量累积产生热损伤，并且无法做出及时反应；

2)等离子体处理物体产生温度变化受到多种因素的综合影响，实现特定的温度值或特定温度分布较为困难；

3)目前用等离子体进行表面处理没有关注温度分布与表面反应之间的联系，而合适的温度分布与处理效果是有直接联系的。

最接近的现有技术是用于表面处理或材料加工的精密温控系统以及等离子体相关的医疗器械中，特别是那些结合了等离子体技术的系统。这些系统通常用于半导体制造、材料科学研究和高端医疗器械制造领域，它们通过精确控制表面温度来影响处理对象的物理和化学性质。

技术问题包括：

1)温度控制的精确性：高精度的温度控制是挑战性的，特别是在快速变化的环境或极端条件下(如高温或低温)。

2)等离子体源的稳定性：等离子体源，如高压电源驱动下的等离子体射流源或表面微放电，需要非常稳定和均匀，以避免处理不均或损害物体表面。

3)传感器的精度和响应速度：使用红外传感器或红外相机进行温度测量要求传感器不仅精度高，而且响应速度快，以及能够精确映射温度分布。

4)控制算法的复杂性：采用PID、模糊控制、自适应控制和模型预测控制算法，虽然能提高控制精度，但这也意味着系统的控制算法更加复杂，需要更高水平的软件工程和算法优化。

5)系统的集成和兼容性：将各种模块(如温度采集、中心控制、等离子体源和功能执行模块)集成到一个协调工作的系统中是一个挑战，特别是在确保不同硬件和软件组件的兼容性方面。

6)温度与处理效果的相关性：温度对处理效果有着直接的影响，但是温度分布与处理效果之间的耦合影响少有关注。

解决这些技术问题需要综合考虑高精度传感技术、稳定的等离子体源设计、先进的控制算法以及有效的系统集成方法。随着技术的进步，这些问题逐渐得到解决，使得等离子体处理下的物体表面温度调控系统在多个领域的应用变得更加广泛和有效。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种等离子体处理下的物体表面温度调控方法及系统，利用温度采集模块获得物体表面温度，传递给中心控制模块进行信息处理，通过控制算法分析，发出指令驱动各个功能执行模块改变等离子体源的运动轨迹、与处理物体间的距离、角度、流量、功率等一个或多个条件，实现处理物体表面温度调控目标，包括防止局部过热和特定温度值或特定温度分布的调节。

本发明是这样实现的，一种等离子体处理下的物体表面温度调控系统，包括：

温度采集模块，用于进行处理物体表面温度值和温度分布的测量采集，可以是嵌入式的红外传感器或红外相机；

中心控制模块，用于对各模块进行总体控制；

等离子体源，用于表面处理；

功能执行模块，用于执行中心控制模块发出的控制指令。

进一步，中心控制模块主要实现对信息采集与控制指令的发出，包括硬件载体和软件算法。

进一步，中心控制模块的硬件载体为嵌入式控制设备，包括树莓派、STM32、Arduino UNO、电脑、工控机，软件算法包括PID、模糊控制、自适应控制、模型预测控制算法。

进一步，等离子体源包括高压电源驱动下的等离子体射流源、表面微放电、针板放电。

进一步，功能执行模块用于执行中心控制模块发出的控制指令，改变等离子体源的一个或多个运行条件，包括控制移动和旋转的电机调节模块、流量调节模块、电源调节模块。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述等离子体处理下的物体表面温度调控系统的等离子体处理下的物体表面温度调控方法，通过采集处理物体表面温度，经过中心控制模块信息处理后，驱动功能执行模块改变等离子体源的运动轨迹、与处理物体间的距离、角度、流量、功率条件，实现处理物体表面温度调控目标。

进一步，处理物体表面温度调控目标包括防止局部过热和特定温度值或特定温度分布的调节。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的等离子体处理下的物体表面温度调控方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的等离子体处理下的物体表面温度调控方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的等离子体处理下的物体表面温度调控系统。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，本发明通过多个因素共同调节等离子体运行状态，实现对等离子体处理物体表面温度调控，可以有效避免温度过高产生热损伤的现象，还可以实现处理物体表面特定温度值或特定温度分布，为等离子体表面处理提供安全有效的温度保障，同时温度分布也与表面处理效果有着直接关系，通过温度的调节，也有助于处理物体获得良好稳定的性能或效果。

本发明通过对等离子体源运行条件的调节，实现防止处理物体表面局部过热和特定温度值或特定温度分布的调节，同时温度分布对表面处理效果有着直接影响。

第二，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：该技术可以应用于等离子体生物医学应用相关的医疗器械中，实现对特定区域的精确温度控制，以达到期望的治疗效果，也可以用于等离子体材料表面改性中，通过精确控制等离子体处理来实现物体表面温度的精确调节，提高生产效率、加工质量和产品稳定性。

本发明的技术方案首次关注了温度对等离子体表面处理中的重要作用，尤其是在等离子体生物医学领域，先前的研究多为单点处理，热量和处理效果都为单点非均匀分布，通过对温度的调控，直接影响了医学应用中的处理效果，以获得特定温度分布，实现最佳的治疗效果。

第三，本发明提供的等离子体处理下的物体表面温度调控系统的显著技术进步可以概括如下：

1)高精度温度控制

该系统通过嵌入式红外传感器或红外相机实现对处理物体表面温度的高精度测量和控制。这种精确的温度监控对于那些要求严格温度控制的应用，如精密制造或材料科学，是一个重大进步。

2)先进的控制算法应用

利用多种控制算法(如PID、模糊控制、自适应控制、模型预测控制)允许系统更智能、更精准地调节温度。这种算法的应用使得温度调节更加灵活和适应性强，适用于复杂和动态变化的工作环境。

3)等离子体技术的集成

结合使用多种等离子体源(如高压电源驱动的等离子体射流源、表面微放电、针板放电)为物体表面处理提供了更多选项。这不仅提高了表面处理的效果，也扩展了应用范围，如能够适用于不同材料和不同处理需求。

4)增强的系统集成和兼容性

中心控制模块的设计使其兼容多种硬件载体(如树莓派、STM32、Arduino UNO、电脑、工控机)，这提高了系统的适应性和灵活性。这样的集成使得系统可以更容易地升级和维护。

5)预警和实时反馈能力

系统设计中包含预警机制，能够在物体表面温度超出预设范围时及时警报。这增加了操作的安全性，减少了潜在的错误和损失。

6)温度对反应效果的调节能力

等离子体处理物体表面的温度分布与处理效果之间有直接联系，特定的温度分布可以带来特定的反应效果，增强反应活性。

本发明提供的系统的设计将高精度温度控制、先进的控制算法、等离子体技术、无线通信以及增强的系统集成和兼容性结合在一起，为物体表面处理提供了一个技术先进、灵活且高效的解决方案。这些技术进步不仅提高了处理效率和质量，也为未来的应用和研究开辟了新的性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的等离子体处理下的物体表面温度调控逻辑示意图；

图2是本发明实施例提供的采用等离子体射流处理下的生物组织表面温度调控装置示意图；

图3是本发明实施例提供的采用PID算法闭环调控表面温度的逻辑示意图；

图4是本发明实施例提供的采用等离子体射流处理下的生物组织表面温度受到高温扰动下的温度调控曲线图；

图5是本发明实施例提供的采用等离子体射流处理下的生物组织表面升温调控曲线图；

图6是本发明实施例提供的采用等离子体射流处理下的生物组织表面降温调控曲线图；

图7是本发明实施例提供的采用等离子体射流处理下的模型组织表面温度分布与表面反应效果对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种等离子体处理下的物体表面温度调控方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的等离子体处理下的物体表面温度调控系统，以下是两个具体的实施例及其具体实现方案：

本发明实施例提供的等离子体处理下的物体表面温度调控方法，通过采集处理物体表面温度，经过中心控制模块信息处理后，驱动功能执行模块改变等离子体源的运动轨迹、与处理物体间的距离、角度、流量、功率条件，实现处理物体表面温度调控目标。处理物体表面温度调控目标包括防止局部过热和特定温度值或特定温度分布的调节。

图1为等离子体处理下的物体表面温度调控逻辑示意图。温度采集模块采集处理物体表面温度，将温度信息传递给中心控制模块，经过信息处理，发出指令控制电机调节模块、流量调节模块、电源调节模块中的一个或者多个，通过改变运动轨迹、距离、流量、电压频率等一个或者多个参数，改变等离子体源的运行状态，进而改变处理物体表面的温度，实现温度调控目标，这里的调控目标主要包含防止局部过热和特定温度值或特定温度分布的调节。

本实施例为等离子体射流处理下的生物组织表面温度调控流程，具体为调控装置和调控方法的介绍。参见图2包括温度采集模块1，它采集处理生物组织2的表面温度，传递给中心控制模块，经过信息处理，发出指令控制电机调节模块(由电机驱动、X轴电机3、Y轴电机4、Z轴电机5组成)，流量调节模块(由流量驱动和气体6组成)，电源调节模块(由电源驱动和电源7组成)，通过各个模块改变等离子体射流源8的运行状态，进而改变处理生物组织表面的温度，为了方便温度分布可视化，使用了可视化装置9。

为了实现对生物组织表面温度的调控，这里设计了如图3所示的PID调控方案，运行轨迹设计为在生物组织表面按照“8”字匀速移动，由X轴和Y轴电机完成，为了使生物组织表面温度实现防止局部过热和特定温度值的目标，调节等离子体射流与生物组织表面的距离，由Z轴完成，中间的信息处理采用PID算法，P、I、D参数分别为7、0.005、0，温度设定值为28℃。需要注意的事，这里选用的调节参数为运行轨迹和距离两个典型参数为例，还可以有流量和电压的共同调节，温度调控目标还可以有特定温度分布，这些都在本专利的保护范围内。

如图4所示，在高温扰动下，距离和温度的实时变化情况，首先，当生物组织温度上升至28℃，这时人工添加一个高温扰动，使得生物组织表面温度超过35℃，迅速调节距离至上限35mm，开始对表面组织降温，然后，这个距离值一直保持至温度降到28℃附近，到达之后开始缓慢降低距离，最后逐渐趋于稳定，温度在28℃附近波动，距离也随之波动变化。

如图5和6所示，分别代表调节温度上升和下降的过程中，距离和温度的实时变化情况，可以发现两者的变化趋势基本一致，这是因为温度和距离呈负相关关系，调节使用的是负反馈调节，这里误差值和I值都较小，主要P值起作用，所以两者变化呈现显著的正相关关系。以升温调节为例，初始时温度低于设定值，这时调节至近距离，使得温度开始上升，当温度达到28℃附近时，温度开始波动变化并逐渐趋于稳定，而降温过程则是反向调节。

如图7所示，在与实施例2中使用同样装置和相同运行轨迹的条件下，测得的温度分布与表面反应效果的对比图，使用的是混有淀粉-KI的模型组织，在等离子体处理下会出现显色反应，通过显色情况表征反应效果，显色越深，反应效果越强，而反应效果与温度有着直接的联系。单点处理下，在模型组织上，高温区域集中于处理点，对应模型组织的显色区域也是集中在相同的位置，而按照“8”字轨迹匀速移动均匀处理下，得到的温度分布和显色情况都呈现出均匀特征。综上，从温度分布与模型组织的显色情况来看，两者具有较好的一致性，说明温度对表面反应的影响是重要且不可忽略的，等离子体处理下的物体表面温度调控也是必要的。

本发明的应用实施例提供了一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行等离子体处理下的物体表面温度调控方法的步骤。

本发明的应用实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行等离子体处理下的物体表面温度调控方法的步骤。

本发明的应用实施例提供了一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现等离子体处理下的物体表面温度调控系统。

该发明被成功用于等离子体射流处理环氧树脂绝缘材料表面改性上，在环氧树脂板表面获得了均匀的温度分布，并且可以实现恒定温度值的调节，在受到外部高温干扰时也能及时做出反应，使其回归正常。在等离子体生物医学应用中，用于探究活性粒子在模型组织中渗透效果，温度分布与活性粒子的渗透分布具有很强的一致性，这对处理效果的调控有着重要意义。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。