專利名稱：光子測量系統及該系統測量聚合物擠出發泡過程的方法
技術領域：
本發明涉及一種測量系統及應用該系統測量的方法，尤其涉及一種光子測量系統及應用該系統在線測量聚合物擠出成型中發泡過程的方法。
背景技術：
泡沫塑料是含有大量大孔、微孔、超微孔氣泡的塑料，為現代塑料的一個重要分支。泡沫塑料由于其制品本身的諸多優點，廣泛應用于工農生產、國防、建筑、包裝等各個領域。
聚合物連續擠出發泡成型過程一般可分為三個階段氣泡成核、氣泡長大以及氣泡固化定型。發泡過程中氣泡形成長大對泡沫塑料制品中的泡孔尺寸、泡孔密度及分布起著決定性作用，是控制泡體質量的關鍵，取決于影響加工過程的各種操作參數。聚合物擠出發泡過程是在高壓、中溫的封閉空間內進行的物理、化學變化過程，物料在擠出機中發生的變化被視為黑箱，具有不可視、動態和三維的特點，難以了解擠出發泡過程中的多變量、多參數交互影響，以及非等溫、高粘度復合運動這一復雜過程，目前還沒有有效的實驗方法與技術對擠出發泡過程的泡孔尺寸和泡孔密度進行在線測量。而對泡孔結構分析測量是基于最終制品的樣品SEM(掃描電子顯微鏡)分析，例如對聚合物成型過程的宏觀形態研究的直接觀察法、可視化技術、對發泡塑料微觀結構研究的電子顯微鏡微區，小角激光散射方法。可視化技術是采用玻璃機筒或在機筒兩側設置交錯排列視窗的結構形式來形成可視區域，應用高速攝影或同步錄像等檢測手段記錄該區域內物料形態表面過程變化的二維光學信息方法來獲取樣品信息，是一種僅反映局部和表面形態信息的實驗研究方法。而檢測發泡塑料微區表面形貌的電子顯微鏡法是一種實驗室分析技術，具有觀察范圍狹窄、制樣的破壞性和非實時性等不足。這些方法均不能對擠出發泡過程中的泡孔尺寸和泡孔密度進行實時在線測量。
發明內容
鑒于上述現有技術所存在的問題，本發明的目的是提供一種體積小、使用調節方便的光子測量系統及應用該系統測量聚合物發泡過程的方法，可以在線測定聚合物擠出發泡成型中泡孔尺寸和泡孔密度。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明光子測量系統，包括擠出機、測量裝置、光子計數板和計算機，所述的測量裝置包括布置在同一平面上的入射端、視窗口模和接收端；入射端發射的入射光透過視窗口模由接收端接收，接收端接收的信號由光子計數板計數后送入計算機進行處理。
所述的入射端安裝在基座上，包括隔熱塊、柱形筒體、激光準直擴束系統、激光器，隔熱塊與安裝在基座上的視窗口模相接，視窗口模端部與擠出機相連接，所述的激光器為氦-氖激光器或半導體激光器。
所述的視窗口模中心軸向開有流道，兩側對稱的開有兩個窗口，并由承受高溫高壓的材料作窗口片。
所述的接收端包括透射光接收端和散射光接收端，所述的透射光接收端與入射端同軸布置；所述的散射光接收端有一個或多個，每個散射光接收端可在基座上作二維調節，與透射光接收端形成-90°～+90°夾角。
所述的透射光接收端安裝在基座上，包括隔熱塊、前光闌、柱形筒體、濾光片、后光闌、光子探測器，隔熱塊與安裝在基座上的視窗口模相接，視窗口模端部與擠出機相連接。
所述的散射光接收端安裝在基座上，包括隔熱塊、前光闌、柱形筒體、后光闌、光子探測器，隔熱塊與安裝在基座上的視窗口模相接，視窗口模端部與擠出機相連接。
所述的前光闌與后光闌連接在基座上的滑塊組上，前光闌與后光闌間的距離可通過滑塊組任意調整；所述前光闌和后光闌的孔徑可以調節。
所述的光子探測器裝有冷卻器和信號放大電路。
本發明應用上述的光子測量系統測量聚合物擠出發泡過程的方法，包括以下步驟A聚合物擠出發泡時物料流過視窗口模；B入射端發出的入射光垂直穿過視窗口模，照射到視窗口模中的聚合物發泡溶體后穿過視窗口模另一側；C入射光穿過視窗口模后，由接收端接收；D接收端測量的信號由光子計數板計數后送入計算機；E計算機進行在線分析，給出聚合物擠出發泡過程中的泡孔粒徑和泡孔密度結果。
所述的步驟C最好包括C1入射光穿過視窗口模后，其透射光由透射光接收端接收；其散射光由散射光接收端接收；C2根據需要調節散射光接收端與透射光接收端之間的夾角，以測定需要角度的散射光；C3根據需要調節前光闌與后光闌的孔徑大小以及它們之間的距離，以取得需要的采光圓錐角。
由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明所述的光子測量系統及該系統測量聚合物擠出發泡過程的方法，由于發射端發射的光束透過視窗口模由接收端接收，是一種非接觸的絕對測量方法，對聚合物發泡擠出過程完全沒有干擾，同時接收的信號是透射光和散射光比值信號，具有很強的抗干擾性，完全適合于聚合物連續擠出生產發泡制品的在線測量，克服了基于最終制品分析方法來測量和分析泡孔直徑和泡孔密度的不足。由于接收光端可以根據需要調節散射光接收端與透射光接收端之間的夾角，以測定需要角度的散射光，并可以根據需要調節前光闌與后光闌的孔徑大小以及它們之間的距離，以取得需要的采光角與光通量，具有體積小，可測量的氣泡粒徑和密度范圍大，使用調節方便的優點。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的闡述。
圖1是本發明工作原理示意圖；圖2是本發明視窗口模結構示意圖；圖3是本發明入射端結構示意圖；圖4是本發明透射光接收端結構示意圖；圖5是本發明散射光接收端結構示意圖；圖6是本發明散射光的光路原理圖。
具體實施例方式
本發明較佳的具體實施方式
如圖1所示，入射端1、視窗口模2和接收端3a、3b布置在同一平面上，安裝在基座8上，視窗口模端部與擠出機40相接，入射端發射的入射光透過視窗口模由接收端接收，其中，接收端3a、3b包括透射光接收端3a和散射光接收端3b，透射光接收端3a與入射端1同軸布置；散射光接收端3b有兩個，每個散射光接收端3b均可在基座8上作二維旋轉調節，與透射光接收端3a形成-90°～+90°夾角。接收的透射光信號和散射光信號由光子計數板計數后送入計算機進行在線分析。
本發明所述的視窗口模2如圖2所示，中心處軸向開有流道33，兩側對稱的開有兩個窗口30，并由承受高溫高壓的材料如藍寶石作窗口片，物料沿A向擠出，視窗口模2上還設有壓力傳感器31和溫度傳感器32。
如圖3所示，入射端1安裝在基座8上，由隔熱塊4、柱形筒體7、激光準直擴束系統5、柱形筒體7、激光器6及電源35依次相接，隔熱塊4與安裝在基座8上的視窗口模2相接，激光器可以為氦-氖激光器或半導體激光器。
如圖4所示，透射光接收端3a安裝在基座8上，由隔熱塊4、前光闌10、柱形筒體7、濾光片11、后光闌12、光子探測器13依次相接，隔熱塊4與安裝在基座8上的視窗口模2相接。前光闌及后光闌均固定在金屬框架34上，前光闌的金屬框架34通過螺紋與柱形筒體7相接，后光闌的金屬框架34固定在光子探測器13上并通過固定螺栓17固定在柱形筒體7上，前光闌與光子探測器13分別置于可在基座8上滑動的滑塊19組上，它們之間的距離可通過滑塊19組調節。光子探測器內裝有信號放大電路14，外設冷卻器15。
如圖5所示，散射光接收端3b與透射光接收端3a的結構基本相同，只是在柱形筒體7之間沒有濾光片11，前光闌與光子探測器13之間的距離同樣可通過滑塊19組調節。
如圖6所示，當入射激光束36沿Z向射入時，散射光接收端3b與入射光呈一定的夾角38探測散射光時，通過調節前光闌10與后光闌12的孔徑及它們之間的距離調節采光圓錐角39，可以探測到所需要的散射體積長度37。
利用本發明的光子測量系統測量泡沫塑料發泡過程時，首先使聚合物發泡時擠出的氣泡流過視窗口模2中心軸向開有的流道33；然后入射端的激光器發出的入射光通過激光準直擴束系統垂直穿過視窗口模2的窗口30，照射到視窗口模2中心流道33中的聚合物發泡溶體后穿過視窗口模2另一側的窗口30；入射光穿過視窗口模后，其透射光由透射光接收端3a的光子探測器13接收，測量透射光通量；其散射光由散射光接收端3b的光子探測器13接收，測量散射光通量；此時可根據需要調節散射光接收端3b與透射光接收端3a之間的夾角38，以測定需要角度的散射光；還可以根據需要調節前光闌與后光闌的孔徑大小和它們之間的距離，以取得需要的采光圓錐角39與光通量37；光子探測器13接收到的透射光信號和散射光信號經過信號放大電路14處理后，由光子計數板計數后送入計算機；計算機進行在線分析，給出發泡過程中的泡孔粒徑和泡孔密度結果。
測量系統工作原理為聚合物擠出發泡物料流過橫斷面很小的視窗口模流道(測量區)，來自He-Ne激光器的細小光束首先通過激光準直與擴束系統，形成高質量的一束平行光束，垂直穿過口模窗口照射到口模流道中的聚合物發泡熔體，入射光束與通道截面構成了系統的測量區或敏感區，其透射光由與入射光同光軸的窗口另一側的光子探測器所接收，散射光由與光軸成一定角度的光子探測器所接收，接受端的光子探測器同時測量透射光和散射光通量。若流過測量區的熔體中沒有氣泡，則光電探測器給出的光信號保持為恒定不變；反之，若有氣泡流過測量區，將會對光束產生一“遮擋”作用，使光子探測器所接受到的光信號減小并產生脈沖信號，脈沖信號的幅值與氣泡粒徑相關，計算機同時接收并判別散射和透射光脈沖信號，并對散射與透射光脈沖進行光子計數，通過對散射光數據進行解析，可在線獲得泡孔粒徑和泡孔密度，光子探測器固定在擠出機模頭的旋轉基座上，根據測量要求旋轉基座可設定-90°～+90°之間不同的光散射角，用于同時測量多個不同散射角的散射光通量。
激光準直與擴束系統通過調節可得到所需要直徑的平行光束，同時封閉的柱形筒體可以隔絕雜散光，進一步提高入射光束的品質，提高測量系統的總體性能。為了使測量系統有最優性能，通過調整激光準直擴束系統參數，來選擇適當的光束直徑。
根據測量原理，在測量區中產生消光效應，為此，由于散射光通量經歷與透射光通量幾乎相同的消光作用，這樣通過散射光通量相對于透射光通量的歸一化方法，即通過在接收端光子探測器同時測量透射光和散射光通量，在相當寬的泡孔密度范圍內，歸一化的散射光通量與泡孔密度成線性關系，從而獲得泡孔密度。測量時，由于散射光通量非常弱，透射光通量相對強，比散射光通量高幾個數量級，在透射光路中加入中性密度濾光片，這里透射光通量作為參考光，這樣可以消除在線測量中的消光效應和各種干擾影響，是一種絕對測量方法，無需外部標定或實驗標定。
通過調整前光闌和后光闌的孔徑大小以及它們之間的距離來決定采光圓錐角，以及測量進入光子探測器中的光通量，同時后光闌可有效消除光路中的雜散光，其散射光通量的光路原理如圖6所示。
由于采用同時測量測量氣泡散射光與透射光通量即歸一化光通量(即散射光通量/透射光通量)比值的方法，消除了消光效應，因此在計算發泡過程中泡孔粒徑時不需要消光系數，但需要發泡物料的折射率系數，由于不同溫度條件下，聚合物材料的折射率不同，采用折射率測量裝置，測定不同聚合物高溫熔體的折射率系數。同時測量的透射光和散射光經過光子探測器接收轉化為脈沖信號，經信號放大電路處理后，通過光子計數板計數，送入計算機進行在線分析，由所測量的散射光與透射光的比值，根據Mie理論(激光散射理論)計算結果，最終給出泡孔粒徑和泡孔密度的測量結果。
由于聚合物發泡口模處于高溫高壓狀態，發泡物料在動態擠出中，具有粘彈性，為了保護本發明內部的光學器件不被污染或損壞，影響測量系統的光學和電子器件的工作穩定性，必須對測量系統進行保護，本發明采用耐高溫材料作隔熱塊，固定在視窗口模的窗口兩側，通過兩側分別開小孔與入射光端和接收光端的柱形圓筒連接，同時對窗口起到密封作用，限制保護物料只能在視窗口模的流道中流動而不能進入其他光學器件空間內。
在線測量系統安裝時，通過旋轉基座來固定散射光測量的角度，通過調節裝置調整光闌和光子探測器位置，保證透射光和散射光接收良好。在調節完成后將調節裝置鎖死，這樣可以在相當長時間內正常工作，只需要定期檢測，保證測量系統和裝置處于良好狀態。
本發明同現有技術相比，測量的泡孔尺寸和密度范圍寬，其泡孔測量下限可達0.08μm，同時本方法原理本身具有較寬的氣泡密度測量范圍，是一種非接觸的絕對測量方法，對聚合物發泡擠出過程完全沒有干擾，同時接收的信號是透射光和散射光比值信號，具有很強的抗干擾性，完全適合于聚合物連續擠出生產發泡制品的在線測量，可以作為工業過程在線測量系統而大量使用，所采用的光學元器件技術均已經成熟，可以保證使用安全性與可靠性。
本發明具有顯著創新，本發明不但解決了聚合物發泡擠出過程中泡孔尺寸和泡孔密度的在線測量問題，可用于科學研究、微孔發泡塑料加工等諸多領域，如果采用光纖傳感技術，可以構成小型化的測量聚合物發泡擠出過程中泡孔粒徑、泡孔密度和物料流速的在線測量儀器。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種光子測量系統，包括擠出機、其特征在于，還包括測量裝置、光子計數板和計算機，所述的測量裝置包括布置在同一平面上的入射端、視窗口模和接收端；入射端發射的入射光透過視窗口模由接收端接收，接收端接收的信號由光子計數板計數后送入計算機進行處理。
2.根據權利要求1所述的光子測量系統，其特征在于，所述的入射端安裝在基座上，包括隔熱塊、柱形筒體、激光準直擴束系統、激光器，隔熱塊與安裝在基座上的視窗口模相接，視窗口模端部與擠出機相連接，所述的激光器為氦-氖激光器或半導體激光器。
3.根據權利要求1所述的光子測量系統，其特征在于，所述的視窗口模中心軸向開有流道，兩側對稱的開有兩個窗口，并由承受高溫高壓的材料作窗口片。
4.根據權利要求1所述的光子測量系統，其特征在于，所述的接收端包括透射光接收端和散射光接收端，所述的透射光接收端與入射端同軸布置；所述的散射光接收端有一個或多個，每個散射光接收端可在基座上作二維調節，與透射光接收端形成-90°～+90°夾角。
5.根據權利要求4所述的光子測量系統，其特征在于，所述的透射光接收端安裝在基座上，包括隔熱塊、前光闌、柱形筒體、濾光片、后光闌、光子探測器，隔熱塊與安裝在基座上的視窗口模相接，視窗口模端部與擠出機相連接。
6.根據權利要求4所述的光子測量系統，其特征在于，所述的散射光接收端安裝在基座上，包括隔熱塊、前光闌、柱形筒體、后光闌、光子探測器，隔熱塊與安裝在基座上的視窗口模相接，視窗口模端部與擠出機相連接。
7.根據權利要求5或6所述的光子測量系統，其特征在于，所述的前光闌與后光闌連接在基座上的滑塊組上，前光闌與后光闌間的距離可通過滑塊組任意調整；所述前光闌和后光闌的孔徑可以調節。
8.根據權利要求5或6所述的光子測量系統，其特征在于，所述的光子探測器裝有冷卻器和信號放大電路。
9.一種應用上述的光子測量系統測量聚合物擠出發泡過程的方法，其特征在于，包括以下步驟A聚合物擠出發泡時物料流過視窗口模；B入射端發出的入射光垂直穿過視窗口模，照射到視窗口模中的聚合物發泡溶體后穿過視窗口模另一側；C入射光穿過視窗口模后，由接收端接收；D接收端測量的信號由光子計數板計數后送入計算機；E計算機進行在線分析，給出聚合物擠出發泡過程中的泡孔粒徑和泡孔密度結果。
10.根據權利要求9所述的測量泡沫塑料發泡過程的方法，其特征在于，所述的步驟C包括C1入射光穿過視窗口模后，其透射光由透射光接收端接收；其散射光由散射光接收端接收；C2根據需要調節散射光接收端與透射光接收端之間的夾角，以測定需要角度的散射光；C3根據需要調節前光闌與后光闌的孔徑大小以及它們之間的距離，以調整采光圓錐角。
全文摘要
本發明所述的光子測量系統及應用該系統測量聚合物發泡過程的方法，包括布置在同一平面上的入射端、視窗口模、接收端以及光子計數板和計算機；聚合物發泡擠出時物料流過視窗口模中心軸向開有的流道，入射端的激光器發出的入射光垂直穿過視窗口模窗口，照射到聚合物發泡溶體后穿過視窗口模另一側的窗口，接收端接收到的透射光信號和散射光信號經過光子放大電路處理，由光子計數板計數后送入計算機進行在線分析，給出發泡過程中的泡孔粒徑和泡孔密度結果。特別適合于聚合物連續擠出生產發泡制品的在線測量，具有體積小，可測量的氣泡粒徑和密度范圍大，使用調節方便的優點。
文檔編號B29C47/92GK1928530SQ20061006586
公開日2007年3月14日 申請日期2006年3月28日 優先權日2006年3月28日
發明者王洪, 彭玉成 申請人:華南理工大學