本發(fā)明屬于聚合物加工成型過(guò)程檢測(cè)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種共面電容式聚合物分子取向測(cè)量裝置及方法，該裝置及方法可用于測(cè)量聚合物成型過(guò)程中分子取向。

背景技術(shù)：

聚合物具有原料豐富、易于加工、比強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕等各種優(yōu)良性能，因而在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在聚合物成型過(guò)程中，聚合物分子鏈隨熔體的流動(dòng)行為而取向，并隨熔體各處剪切的不同，呈現(xiàn)一定的取向分布。聚合物分子的取向的最終分布以及變化歷史決定著聚合物產(chǎn)品的力學(xué)性能、光學(xué)性能及熱物理性能，因此聚合物成型過(guò)程中的分子取向測(cè)量對(duì)于產(chǎn)品性能的確定具有重大意義。

目前，公開(kāi)報(bào)道的聚合物分子取向測(cè)量方法主要有兩大類：第一類為離線測(cè)量，較早提出的有X射線衍射法。X射線衍射是研究晶體學(xué)的重要手段，在聚合物方面，利用X射線衍射能微觀反應(yīng)高分子鏈的構(gòu)象及局部鏈段關(guān)系，因此利用X射線衍射測(cè)量聚合物分子取向也逐漸受到重視，例如廣角X射線衍射(WAXD)和小角X射線衍射(SAXS)分別以衍射圓弧長(zhǎng)度和彌散散射強(qiáng)度來(lái)度量取向度。同一時(shí)期還有雙折射法和紅外二向色性法，其中雙折射法利用兩個(gè)互相垂直方向上折射率差來(lái)衡量取向度，但只適用于透明材料且光學(xué)儀器調(diào)試復(fù)雜，而紅外二向色性法根據(jù)取向試樣紅外吸收的各向異性來(lái)測(cè)量取向度。通常，這些離線測(cè)量方法具有制樣過(guò)程復(fù)雜、無(wú)法在線檢測(cè)等缺點(diǎn)。

第二類為在線檢測(cè)，其方法較少，目前提出的有超聲波測(cè)量法。例如在趙朋等所著文獻(xiàn)《基于超聲技術(shù)的塑料注射成型過(guò)程在線檢測(cè)》中，利用注塑過(guò)程中超聲信號(hào)的變化解釋聚合物熔體結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化。Edward R等所著文獻(xiàn)《On-line measurement of polymer orientation using ultrasonic technology》中采用超聲橫波在線檢測(cè)了聚合物在模具型腔中的取向行為。但目前這方面的研究大多還處于實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還要對(duì)超聲檢測(cè)設(shè)備、超聲信號(hào)與聚合物取向的理論關(guān)系、超聲信號(hào)的分析和處理等方面進(jìn)一步研究。

在公開(kāi)號(hào)為CN102012400A的中國(guó)專利文獻(xiàn)中，提供了一種超聲波聲速檢測(cè)管材取向度的方法，通過(guò)超聲波測(cè)試多個(gè)管材樣品垂直于材料取向方向上聲速，再利用紅外二向色性法來(lái)標(biāo)定，得到超聲波波速和取向度的對(duì)應(yīng)曲線。但該方法必須對(duì)樣品進(jìn)行切片測(cè)試，標(biāo)定過(guò)程復(fù)雜，不利于在線測(cè)量，且適用范圍僅限于聚合物管材。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提出一種共面電容式聚合物分子取向測(cè)量裝置及方法，其中通過(guò)對(duì)測(cè)量裝置中關(guān)鍵的多組共面電極的相對(duì)設(shè)置方式、每組共面電極中導(dǎo)電電極的形狀及相對(duì)位置設(shè)置、以及測(cè)量的參數(shù)類型等進(jìn)行改進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠有效解決聚合物的分子取向測(cè)量困難、測(cè)量方法只適用于部分特定形狀的聚合物等的問(wèn)題，本發(fā)明利用聚合物材料介電性能的各向異性，建立了取向-介電-電容三者的關(guān)系，適用于各類聚合物，屬于無(wú)損檢測(cè)，具有精度高、響應(yīng)快、非侵入式等特點(diǎn)，且該測(cè)量裝置及方法能用于真實(shí)加工環(huán)境的聚合物分子取向在線測(cè)量，靈活度較高且適用范圍較廣。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種共面電容式聚合物分子取向測(cè)量裝置，其特征在于，包括傳感器探頭陣列(10)、電容測(cè)量單元(13)、以及取向計(jì)算模塊(14)，其中，

所述傳感器探頭陣列(10)包括設(shè)置在絕緣基底(9)上的多組共面電極；

對(duì)于任意一組所述共面電極，均包括至少兩個(gè)導(dǎo)電電極，并且，任意一個(gè)所述導(dǎo)電電極均具有條狀電極結(jié)構(gòu)；對(duì)于同一所述共面電極內(nèi)的任意兩個(gè)所述導(dǎo)電電極，它們的條狀電極結(jié)構(gòu)相互平行，并且保持固定間距；任意兩個(gè)所述導(dǎo)電電極之間的電容受待測(cè)量聚合物的影響；并且，對(duì)于任意一組所述共面電極，定義在所述基底(9)平面上的、且與該共面電極中的條狀電極結(jié)構(gòu)相平行的直線為該共面電極的排布直線；

所述電容測(cè)量單元(13)與所述傳感器探頭陣列(10)相連，用于測(cè)量同一組所述共面電極內(nèi)的任意兩個(gè)所述導(dǎo)電電極之間的電容，并得到與所述多組共面電極相對(duì)應(yīng)的多組電容數(shù)據(jù)；

所述取向計(jì)算模塊(14)與所述電容測(cè)量單元(13)相連，用于根據(jù)所述電容測(cè)量單元(13)測(cè)量得到的所述多組電容數(shù)據(jù)計(jì)算所述待測(cè)量聚合物的分子取向；

此外，所述傳感器探頭陣列(10)上的所述多組共面電極至少為4組共面電極，以這些共面電極中的4組所述共面電極作為2個(gè)共面電極陣列單元，其中，每個(gè)所述共面電極陣列單元均包括2組所述共面電極；對(duì)于同一個(gè)所述共面電極陣列單元中的2組所述共面電極，這2組所述共面電極的排布直線之間的夾角為90°；

對(duì)于這2個(gè)所述共面電極陣列單元，其中一個(gè)陣列單元中任意一組共面電極的排布直線，與另一個(gè)陣列單元中的任意一組共面電極的排布直線，這兩條直線之間的夾角為45°。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，定義所述基底(9)面上的任意一個(gè)方向?yàn)閱挝徽较?，則對(duì)于任意一組所述共面電極，該共面電極的排布直線與該單位正方向之間的夾角為0°～180°。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，對(duì)于任意一組所述共面電極，該共面電極中的任意一個(gè)所述導(dǎo)電電極均包括多個(gè)所述條狀電極結(jié)構(gòu)，這些條狀結(jié)構(gòu)相互平行、且彼此之間通過(guò)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)相連。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，對(duì)于任意一組所述共面電極，均包括三個(gè)導(dǎo)電電極以及一個(gè)基板(4)，記這三個(gè)導(dǎo)電電極分別為第一導(dǎo)電電極(1)、第二導(dǎo)電電極(2)、以及第三導(dǎo)電電極(3)；優(yōu)選的，所述第一導(dǎo)電電極(1)、所述第二導(dǎo)電電極(2)、以及所述第三導(dǎo)電電極(3)均位于所述基底(9)的同一面上。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，對(duì)于任意一組所述共面電極，所述第一導(dǎo)電電極(1)與所述第二導(dǎo)電電極(2)相互交叉分布，該第二導(dǎo)電電極(2)中的任意一個(gè)所述條狀電極結(jié)構(gòu)距與其相鄰的、且屬于所述第一導(dǎo)電電極(1)中的條狀電極結(jié)構(gòu)的距離保持固定；

所述第三導(dǎo)電電極(3)位于所述第一導(dǎo)電電極(1)與所述第二導(dǎo)電電極(2)之間，該第三導(dǎo)電電極(3)距所述第一導(dǎo)電電極(1)中任意一個(gè)條狀電極結(jié)構(gòu)的距離保持固定，該第三導(dǎo)電電極(3)距所述第二導(dǎo)電電極(2)中任意一個(gè)條狀電極結(jié)構(gòu)的距離保持固定；并且，所述第三導(dǎo)電電極(3)距所述第一導(dǎo)電電極(1)中任意一個(gè)條狀電極結(jié)構(gòu)的距離與所述第三導(dǎo)電電極(3)距所述第二導(dǎo)電電極(2)中任意一個(gè)條狀電極結(jié)構(gòu)的距離兩者不相等。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，當(dāng)任意一組所述共面電極中的所述導(dǎo)電電極為兩個(gè)時(shí)，

所述電容測(cè)量單元(13)用于測(cè)量所述2個(gè)共面電極陣列單元中屬于同一所述共面電極內(nèi)的、兩個(gè)所述導(dǎo)電電極之間的電容，并得到與所述2個(gè)共面電極陣列單元中的4組所述共面電極相對(duì)應(yīng)的4個(gè)電容數(shù)據(jù)；

所述取向計(jì)算模塊(14)用于根據(jù)所述電容測(cè)量單元(13)測(cè)量得到的所述4個(gè)電容數(shù)據(jù)計(jì)算所述待測(cè)量聚合物的分子取向θ：

其中，C₁、C₂、C₃、C₄為所述電容測(cè)量單元(13)測(cè)量得到的所述4個(gè)電容數(shù)據(jù)，C₁、C₂對(duì)應(yīng)同一個(gè)共面電極陣列單元，C₃、C₄對(duì)應(yīng)另一個(gè)共面電極陣列單元。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述電容測(cè)量單元(13)用于測(cè)量所述2個(gè)共面電極陣列單元中屬于同一所述共面電極內(nèi)的、預(yù)先選擇的兩個(gè)所述導(dǎo)電電極之間的電容，并得到與所述2個(gè)共面電極陣列單元中的4個(gè)所述共面電極相對(duì)應(yīng)的4個(gè)電容數(shù)據(jù)；所述預(yù)先選擇的兩個(gè)導(dǎo)電電極為第一導(dǎo)電電極與第二導(dǎo)電電極，或者為第一導(dǎo)電電極與第三導(dǎo)電電極，或者為第二導(dǎo)電電極與第三導(dǎo)電電極；

所述取向計(jì)算模塊(14)用于根據(jù)所述電容測(cè)量單元(13)測(cè)量得到的所述4個(gè)電容數(shù)據(jù)計(jì)算所述待測(cè)量聚合物的分子取向θ：

其中，C₁、C₂、C₃、C₄為所述電容測(cè)量單元(13)測(cè)量得到的所述4組電容數(shù)據(jù)，C₁、C₂對(duì)應(yīng)同一個(gè)共面電極陣列單元，C₃、C₄對(duì)應(yīng)另一個(gè)共面電極陣列單元。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，當(dāng)所述電容測(cè)量單元(13)中的所述預(yù)先選擇的兩個(gè)導(dǎo)電電極變動(dòng)時(shí)，所述取向計(jì)算模塊(14)則用于計(jì)算得到一組分子取向θ。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述基底(9)位于聚合物成型模腔內(nèi)壁(12)上；

且所述基底(9)為表面涂有絕緣涂層的絕緣基底(9)。

按照本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種共面電容式聚合物分子取向測(cè)量方法，該測(cè)量方法是采用上述一種共面電容式聚合物分子取向測(cè)量裝置，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將至少一個(gè)傳感器探頭陣列(10)安裝在聚合物成型模腔內(nèi)壁(12)上，并將該傳感器探頭陣列(10)中的共面電極與電容測(cè)量單元(13)連接；

(2)執(zhí)行聚合物成型加工步驟，以聚合物成型模腔中進(jìn)行成型加工的聚合物作為待測(cè)量聚合物，并根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣周期定時(shí)對(duì)所述電容測(cè)量單元(13)輸出的電容值進(jìn)行采集；

(3)根據(jù)同一時(shí)刻采集到的所述電容值，計(jì)算所述待測(cè)量聚合物的分子取向θ：

其中，C₁、C₂、C₃、C₄為同一時(shí)刻所述電容測(cè)量單元(13)采集到的電容數(shù)據(jù)，C₁、C₂對(duì)應(yīng)2個(gè)共面電極陣列單元中的同一個(gè)共面電極陣列單元，C₃、C₄對(duì)應(yīng)2個(gè)共面電極陣列單元中的另一個(gè)共面電極陣列單元；C₁、C₂、C₃、C₄對(duì)應(yīng)的預(yù)先選擇的兩個(gè)導(dǎo)電電極之間的距離彼此相等，優(yōu)選的，這兩個(gè)導(dǎo)電電極均為第一導(dǎo)電電極與第二導(dǎo)電電極，或者均為第一導(dǎo)電電極與第三導(dǎo)電電極，或者均為第二導(dǎo)電電極與第三導(dǎo)電電極；

即得到一系列隨時(shí)間變化的待測(cè)量聚合物的分子取向θ。

通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過(guò)共面電極結(jié)構(gòu)測(cè)量聚合物分子取向，利用介電性能各向異性原理，建立了取向-介電-電容三者的關(guān)系。本發(fā)明利用共面電極的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)測(cè)量不同散射電場(chǎng)方向上已取向聚合物的電容大小，計(jì)算聚合物分子的取向，克服了以往聚合物分子取向測(cè)量中無(wú)法在線檢測(cè)、取向方向不明確等缺點(diǎn)。本方法采用電學(xué)量測(cè)量，屬于無(wú)損檢測(cè)，適用于各類聚合物，具有精度高、響應(yīng)快、非侵入式、測(cè)量方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為聚合物成型過(guò)程中分子取向的測(cè)量與分析提供了一種有效手段，并可廣泛運(yùn)用于聚合物產(chǎn)品的質(zhì)量控制。具體說(shuō)來(lái)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)電容式測(cè)量適用于各類聚合物(絕緣材料)，包括透明、半透明和不透明材料，且電信號(hào)精度高、響應(yīng)快；

2)共面電容式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便安裝，且能與測(cè)量電路集成一體；

3)電容建模簡(jiǎn)單，易于分析電容與取向的理論關(guān)系；

4)可實(shí)現(xiàn)聚合物分子取向的無(wú)損在線檢測(cè)，具有非侵入式特點(diǎn)。

本發(fā)明中一種共面電容式聚合物分子取向測(cè)量裝置，采用了共面電極結(jié)構(gòu)外加基底材料，并將傳感器探頭陣列安裝在模具型腔內(nèi)，靈活度較高且適應(yīng)性較廣。進(jìn)一步，共面電極結(jié)構(gòu)中三個(gè)導(dǎo)電電極間距離兩兩不等，兩兩組合后產(chǎn)生三種不同穿透深度，可以實(shí)現(xiàn)聚合物熔體同一位置不同厚度的取向測(cè)量。對(duì)于聚合物成型過(guò)程中容易出現(xiàn)的分層現(xiàn)象，本發(fā)明可以測(cè)得不同層聚合物的取向狀態(tài)，得到的聚合物取向信息更準(zhǔn)確。另外，對(duì)于材料的固體狀態(tài)和熔體狀態(tài)，兩者與傳感器之間的接觸情況不同，熔體和傳感器之間緊密接觸，不存在空氣間隙層，而對(duì)于固體狀態(tài)，本發(fā)明中雖然存在空氣間隙，但通過(guò)共面電極得到的散射電場(chǎng)具有一定穿透深度，因此本發(fā)明對(duì)固態(tài)和熔融態(tài)的待測(cè)材料均能準(zhǔn)確測(cè)量，且與傳統(tǒng)的多波長(zhǎng)共面電極結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明中共面電極測(cè)量的是同一區(qū)域，不存在因區(qū)域不同受力不平衡導(dǎo)致固態(tài)待測(cè)聚合物測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

本發(fā)明中一種共面電容式聚合物分子取向測(cè)量方法，無(wú)需待測(cè)試樣準(zhǔn)備過(guò)程，采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在線測(cè)量，方法簡(jiǎn)單，易實(shí)施，且為電學(xué)量測(cè)量，精度高，便于聚合物材料物理機(jī)械性能的判斷。進(jìn)一步，在型腔壁內(nèi)多個(gè)位置安裝此傳感器探頭，可以在線測(cè)量聚合物成型過(guò)程中不同位置不同深度熔體的取向分布。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中共面電容式取向測(cè)量傳感器探頭陣列中任意一個(gè)共面電極中導(dǎo)電電極與基板示意圖；

圖2是本發(fā)明共面電容式取向測(cè)量傳感器探頭陣列示意圖；

圖3為待測(cè)聚合物材料主介電張量、主介電張量坐標(biāo)系和傳感器探頭陣列的位置關(guān)系示意圖；

圖4為本發(fā)明中共面電容式取向測(cè)量裝置的工作示意圖；

圖5為本發(fā)明中共面電容式取向測(cè)量裝置在轉(zhuǎn)矩流變儀中的工作示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明中一種共面電容式聚合物分子取向測(cè)量裝置，如圖4所示，包括共面電容式取向測(cè)量傳感器探頭陣列(10)、電容測(cè)量單元(13)和取向計(jì)算模塊(14)，所述的共面電容式取向測(cè)量傳感器探頭陣列(10)位于聚合物模具型腔壁(即聚合物成型模腔內(nèi)壁(12))上，包括基底材料(9)、共面電極(5)(6)(7)(8)以及絕緣涂層，如圖2所示，所述的共面電極均與電容測(cè)量單元(13)連接。由于聚合物成型模腔內(nèi)壁(12)遠(yuǎn)大于傳感器探頭陣列(10)，因此該傳感器探頭陣列(10)仍可近似為一個(gè)平面。

進(jìn)一步，所述的共面電容式取向測(cè)量傳感器探頭陣列(10)包括多組共面電極結(jié)構(gòu)，其數(shù)目為4組及以上，且對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)角度。

進(jìn)一步，所述共面電極結(jié)構(gòu)的數(shù)目為4組，分為2個(gè)陣列單元，每個(gè)陣列單元由2組共面電極構(gòu)成，且分別對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)角度(設(shè)計(jì)角度即以基底(9)面上的任意一個(gè)方向作為單位正方向，如傳感器探頭陣列長(zhǎng)度方向，該單位正方向與共面電極間的夾角)。

進(jìn)一步，所述4組共面電極結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)角度均位于0°-180°之間，且同一個(gè)陣列單元中共面電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)角度相差90°。

進(jìn)一步，所述2個(gè)陣列單元中共面電極結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)角度相差45°，因此4組共面電極結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)角度包括但不限于0°，45°，90°，135°(0°即對(duì)應(yīng)單位正方向平行于其中1組共面電極結(jié)構(gòu)的情況)。

進(jìn)一步，所述的共面電極結(jié)構(gòu)包括三個(gè)導(dǎo)電電極1、2、3和一個(gè)基板4，如圖1所示，所述的每個(gè)導(dǎo)電電極均與電容測(cè)量單元(13)連接。

進(jìn)一步，所述的三個(gè)導(dǎo)電電極包括第一導(dǎo)電電極(1)、第二導(dǎo)電電極(2)和第三導(dǎo)電電極(3)，均位于基板(4)上，所述的基板(4)位于基底材料(9)上。

進(jìn)一步，所述的第一導(dǎo)電電極和第二導(dǎo)電電極分別包括多根相互平行的均勻分散排布的電極條，相互交錯(cuò)排列且互不連通。所述第三導(dǎo)電電極包括一根嵌在第一導(dǎo)電電極和第二導(dǎo)電電極間隙間的蜿蜒的矩形電極條，且與第一導(dǎo)電電極和第二導(dǎo)電電極的垂直距離不同，三個(gè)導(dǎo)電電極兩兩間距均不同。

相應(yīng)的，本發(fā)明中一種共面電容式聚合物分子取向測(cè)量方法，包括共面電容式傳感器探頭陣列的設(shè)計(jì)與安裝、探頭陣列電容值的測(cè)量以及基于電容值的聚合物分子取向分析，具體來(lái)說(shuō)，包括：

1)將至少一個(gè)共面電容式取向測(cè)量傳感器探頭陣列安裝在聚合物模具型腔壁(12)上，并將傳感器探頭陣列的共面電極與電容測(cè)量單元(13)連接；

2)執(zhí)行聚合物成型加工步驟，共面電容式取向測(cè)量傳感器探頭陣列接觸待測(cè)聚合物材料(11)，根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣周期定時(shí)對(duì)電容測(cè)量單元的輸出電容值進(jìn)行采集，通過(guò)不同的電極組合，得到測(cè)量點(diǎn)聚合物四個(gè)方向上、每個(gè)方向三個(gè)厚度位置的電容值，結(jié)果如下表表1所示。

表1

3)選取同一厚度電容結(jié)果，根據(jù)以下電容-取向轉(zhuǎn)換公式計(jì)算聚合物分子的取向角(聚合物分子取向與所述傳感器探頭陣列長(zhǎng)度方向的夾角)，具體轉(zhuǎn)換步驟為

3.1)對(duì)于各向異性材料，在任意坐標(biāo)系下其介電常數(shù)可以用介電張量ε來(lái)表示，

其中，ε_xx,ε_yy,ε_zz為介電張量的對(duì)角量，ε_xy，ε_yx，ε_yz，ε_zy，ε_xz，ε_zx為介電張量的非對(duì)角量。以傳感器探測(cè)陣列所在平面為基準(zhǔn)面，Ze方向?yàn)槠浞ㄏ?，介電張量可化?jiǎn)為三主元形式如下

與主介電張量分量ε₁，ε₂，ε₃對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系稱為主坐標(biāo)系x₁x₂x₃，如圖3所示，主介電方向與聚合物分子取向一致。

3.2)根據(jù)理論推導(dǎo)，接觸介質(zhì)材料后，若傳感器探測(cè)陣列的長(zhǎng)度方向Xe軸與介電張量分量ε₁方向成角度θ，則共面電極電容值計(jì)算公式如下

同理正交的共面電容結(jié)構(gòu)中一對(duì)導(dǎo)電電極間的電容值C_θ+π/2

其中，2C₀是這對(duì)導(dǎo)電電極在真空中的電容值，可通過(guò)電極結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算得出，ε_s是基底材料的介電常數(shù)，θ即是聚合物分子的取向角，當(dāng)取向角為0°時(shí)，表示傳感器探頭陣列方向與聚合物分子取向方向一致。

3.3)選取兩組正交的共面電容結(jié)構(gòu)并求其電容的差值，即可得到聚合物分子的取向角θ，公式如下

以下為具體實(shí)施例：

實(shí)施例1

參照?qǐng)D5，本例中采用旋轉(zhuǎn)流變儀獲得聚合物熔體的振蕩剪切流，因此聚合物分子的取向大致和聚合物熔體的流動(dòng)方向一致。本例中聚合物材料選擇PS(聚苯乙烯)，流變儀選擇美國(guó)TA公司儀器型號(hào)為AR-1000的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)式流變儀，并采用同心圓柱式壓力傳感器，其中外圓柱16固定，半徑R₂＝22.5mm，內(nèi)圓柱15隨流變儀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，半徑R₁＝21mm。PS熔體處于兩圓柱面之間，由于兩圓柱間間隙遠(yuǎn)小于兩圓柱的半徑，因此可以近似為純剪切運(yùn)動(dòng)。

具體取向測(cè)量方法步驟包括：

1)將至少一個(gè)共面電容式取向測(cè)量傳感器探頭陣列安裝在旋轉(zhuǎn)流變儀的固定外圓柱的內(nèi)表面上，這樣在流變儀運(yùn)動(dòng)時(shí)，能保證傳感器探頭陣列與高溫聚合物PS熔體接觸。

2)連接好叉指電極和電容測(cè)量單元，旋轉(zhuǎn)流變儀開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，輸出的振蕩扭矩信號(hào)使內(nèi)圓柱振蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生剪切流，此時(shí)傳感器探頭陣列與高溫聚合物熔體接觸，PS熔體的介電性質(zhì)發(fā)生改變，測(cè)得的電容也隨之發(fā)生變化。

3)根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣周期定時(shí)對(duì)電容測(cè)量單元的輸出電容值進(jìn)行采集，得到測(cè)量點(diǎn)聚合物熔體4個(gè)方向上、每個(gè)方向3個(gè)厚度位置的電容值，結(jié)果如表1所示。

4)利用采集軟件將采集到的電容信號(hào)在窗口顯示，并根據(jù)公式(1.7)實(shí)時(shí)將電容轉(zhuǎn)換計(jì)算為聚合物分子的取向角，從而實(shí)現(xiàn)在聚合物加工中對(duì)分子取向的在線測(cè)量，這里選取第一個(gè)電極組合輸出的4個(gè)電容值來(lái)計(jì)算分子取向

具體取向測(cè)量裝置包括：

參照?qǐng)D4，一種用于聚合物成型加工在線測(cè)量分子取向的裝置包括共面電容式取向測(cè)量傳感器探頭陣列(10)、電容測(cè)量單元(13)以及取向計(jì)算模塊(14)，其中傳感器探頭陣列(10)固定安裝在聚合物成型模具型腔壁(12)上，電容測(cè)量單元(13)與傳感器探頭陣列的電極相連。

參照?qǐng)D2，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的共面電容式取向測(cè)量傳感器探頭陣列(10)包括4組共面電極結(jié)構(gòu)(5)、(6)、(7)、(8)，電極方向與傳感器探頭陣列長(zhǎng)度方向的夾角分別為0°，45°，90°，135°。

參照?qǐng)D1，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的共面電極結(jié)構(gòu)包括3個(gè)導(dǎo)電電極(1)、(2)、(3)和基板(4)，所述的每個(gè)導(dǎo)電電極均與電容測(cè)量單元(13)連接。參照?qǐng)D1，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的3個(gè)導(dǎo)電電極包括第一導(dǎo)電電極(1)、第二導(dǎo)電電極(2)和第三導(dǎo)電電極(3)，均位于基板(4)之上。所述的第一導(dǎo)電電極(1)和第二導(dǎo)電電極(2)包括多根相互平行的叉指，尺寸參數(shù)相等，兩者相互交錯(cuò)排列且互不連通。參照?qǐng)D1，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述第三導(dǎo)電電極(3)包括一根嵌在第一導(dǎo)電電極(1)和第二導(dǎo)電電極(2)間隙間的蜿蜒的矩形電極條，且與(1)和(2)的垂直距離不同，3個(gè)導(dǎo)電電極兩兩間距均不同。

參照?qǐng)D2，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述基底材料(9)可以選擇柔性材料，所述基板(4)位于柔性基底材料上。

本發(fā)明中一種共面電容式聚合物分子取向測(cè)量裝置，傳感器探頭陣列(10)上至少包括4組共面電極(這4組共面電極根據(jù)排布直線按要求分布，并且根據(jù)排布直線的不同，這4組共面電極被分為2個(gè)共面電極陣列單元；圖2示出了這4組共面電極的一種排布情況，其中共面電極(5)、共面電極(6)屬于同一個(gè)共面電極陣列單元，共面電極(7)、共面電極(8)屬于另一個(gè)共面電極陣列單元)；當(dāng)傳感器探頭陣列(10)上的共面電極數(shù)量大于4組(如5組、6組)時(shí)，則可以只選取其中滿足2個(gè)共面電極陣列單元要求的4組共面電極，并測(cè)量這4組共面電極中相應(yīng)2個(gè)導(dǎo)電電極(如，預(yù)先選擇的2個(gè)導(dǎo)電電極)之間形成的共面電容。

根據(jù)散射電場(chǎng)原理，電極組合之間的距離不同，電場(chǎng)穿透能力也不同；當(dāng)預(yù)先選擇的兩個(gè)導(dǎo)電電極變動(dòng)時(shí)(例如，從第一導(dǎo)電電極與第二導(dǎo)電電極的組合，變?yōu)榈谝粚?dǎo)電電極與第三導(dǎo)電電極的組合)，由于測(cè)量電容時(shí)針對(duì)的電極組合彼此之間的距離發(fā)生變化，將能夠反應(yīng)出不同深度聚合物的分子取向(以圖5為例，深度方向即從外徑R₂指向圓心，也即指向內(nèi)徑R₁的徑向方向)，因此，本發(fā)明測(cè)量裝置中，對(duì)于任意1組共面電極，第一導(dǎo)電電極與第二導(dǎo)電電極之間的間距、第一導(dǎo)電電極與第三導(dǎo)電電極之間的間距、第二導(dǎo)電電極與第三導(dǎo)電電極之間的間距三者保持不同(當(dāng)然導(dǎo)電電極的數(shù)量還可以根據(jù)需要增加，至少為2個(gè))；另一方面，為確保采用本發(fā)明測(cè)量裝置進(jìn)行檢測(cè)得到的檢測(cè)結(jié)論的準(zhǔn)確性，作為2個(gè)共面電極陣列單元中的4組共面電極相應(yīng)導(dǎo)電電極之間的間距必須保持一致，這4組導(dǎo)電電極除了排布直線不同外，其他結(jié)構(gòu)或形狀均要保持相同的設(shè)置。

在傳感器探頭陣列(10)中，任意一個(gè)導(dǎo)電電極與其他導(dǎo)電電極之間相互分離、彼此互不連通(否則兩個(gè)導(dǎo)電電極之間的電容值測(cè)量將失去意義)；對(duì)于任意一個(gè)導(dǎo)電電極包括多個(gè)條狀電極結(jié)構(gòu)的情況，這些條狀結(jié)構(gòu)相互平行、且彼此之間通過(guò)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)相連(導(dǎo)電結(jié)構(gòu)所采用的材料可以與條狀電極結(jié)構(gòu)所使用的材料相同)，如圖1所示。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。