CN108031573A - 单液滴静电喷射***稳定工作的调控方法 - Google Patents

单液滴静电喷射***稳定工作的调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开单液滴静电喷射***稳定工作的调控方法，属于静电液滴产生技术领域。单液滴静电喷射***能实时监测液滴进入激光束照射范围时刻t和单个液滴体积V。并估算出液滴喷射的平均流量使之作为实际供液量流速Qs的设置参考值。该方法使用光电倍增管作为调节控制装置的启动电路，当滴落的液滴进入激光束照射范围时将发生光散射现象，光电倍增管将收集到的光脉冲信号转换成电脉冲信号作为本***的启动信号。通过光电技术检测喷射出的单个液滴体积和液滴产生时间间隔并估算出液滴喷射的平均流量使之作为实际供液流量Qs的设置参考值，可以实现喷嘴处液体体积的相对稳定，从而保证液滴产生时间间隔和单个液滴体积的稳定。

Description

单液滴静电喷射***稳定工作的调控方法
技术领域
本发明涉及一种基于针对静电产生液滴装置控制***，还涉及单液滴静电喷射***稳定工作的调控方法，属于静电液滴产生技术领域。
背景技术
目前常用的微滴产生方式包括气动式、压电式、热泡式和静电式。其中气动式、压电式和热泡式都是通过调控压力将液滴从喷嘴挤压出来，而静电式与前面几种方式都不相同，这种方式是利用电场力克服液滴表面张力使其从喷嘴处滴落。与另外三种方式相比，这种方式不仅能产生比喷嘴直径小很多的液滴，而且在喷射包含颗粒或者细胞的液体时不会发生堵塞。除此之外该方式还具有操作简单、成本低以及液滴尺寸控制范围大等优点。本发明提出利用基于光散射技术实时检测液滴产生的时间间隔和每个液滴的体积，计算由于液滴喷射而产生的平均流量通过调节供液流量Qs与匹配，达到液滴产生时间间隔以及单个液滴体积稳定的工作状态。
静电喷射液滴方式的物理原理最初由Rayleigh发现，在强电场作用下液体表面会不稳定，产生液滴和射流。随后Taylor也对其进行相关理论研究，如图1所示：一定量的液体在喷头处。液体具有一定的导电性。在准静态条件下，液体可以看作理想导体。在液体和收集电极5之间施加一定电压，从而使液体与收集电极之间产生电场，同时液体表面会有电荷产生，带电荷的液体在电场力、重力和液体表面张力联合作用下形变，形成锥状液面(泰勒锥)。由于电荷集中在泰勒锥的顶部，液体受力也集中在泰勒锥顶部。在当电场力、重力的作用强大到足以克服表面张力时，泰勒锥顶端液体断裂，形成液滴。通常形成的液滴体积远远小于喷口处聚集的液体体积(即整个泰勒锥的体积)。由于液滴产生时携带了泰勒锥大部分电荷，所以液滴产生后喷口处液体液面形状从泰勒锥状液面迅速恢复为半月形液面。随后，液体表面电荷重新累积，再次形成泰勒锥液面，进入下一个液滴产生周期。对于物理特性一定的液体，泰勒锥的几何结构、产生液滴的体积以及液滴产生的时间间隔等特性主要由液体与收集电极之间的电场决定。在通常工作情况下，这个电场主要由液体和收集电极之间的电压决定。如果由液滴产生导致的离开喷口的液体平均流量(由液滴产生形成的流量是分立的，但是可以在一定时间段内定义其平均流量，关于的测量在发明内容中有详细介绍)与***供液流量Qs(例如本实验装置中采用如图2所示的注射器2供液)保持平衡，则液滴产生时间间隔和产生液滴的体积均保持恒定，即液滴产生***处于稳定的工作状态。
但是，通常静电液滴产生过程中，液滴产生形成的平均流量与供液流量Qs不匹配，从而导致液滴产生处于不稳定的状态，液滴产生频率和单个液滴体积均随时间发生变化。通常静电液滴产生中遇到的实际情况是流量与流量Qs不相等，但是失配并不明显。本发明主要针对这种情况对喷射装置进行调节控制。由于在静电液滴产生中喷口处液体体积(即泰勒锥的体积)通常远远大于产生的单个液滴的体积，因此，单个液滴体积V和产生时间间隔Δt均随时间缓慢变化。V和Δt随时间变化的特征时间远远大于Δt。当流量失配导致泰勒锥几何结构明显改变时，液滴产生条件骤变。通常会发生两种情况。一，V、Δt、随时间缓慢变化(变化特征时间远大于Δt)并满足喷口处液体缓慢减少，减少到一定量时，液滴产生短暂停顿，导致短暂时间内随后喷口处液体恢复，液滴产生随之恢复，并重新恢复至缓慢变化区间，此过程周期性重复，如图3所示。二，V、Δt、随时间缓慢变化(变化特征时间远大于Δt)并满足喷口处液体缓慢增加，增加到一定量时，产生一个或数个液滴体积远远大于V，导致短暂时间区间内随后喷口处液体迅速减少，液滴产生状态恢复至缓慢变化阶段，此过程周期性重复，如图4所示。上述两种情况下，由于Qs设置与不匹配，导致液滴产生时间间隔Δt和/或单个液滴体积V周期性变化，变化的时间周期T通常远大于Δt。且每个周期内均有两个时间区间：即相对稳定的缓变区间T1，和剧烈变化的骤变区间T2，其中T1≈T，T2＜＜T。其中骤变时间区间内的Δt和/或V剧烈变化，导致发生剧烈变化。因此，实时监测液滴流量保持与Qs相互匹配对于静电产生液滴***的稳定工作是有帮助的。
采用基于光散射的调节控制装置实时监测液滴产生的时间间隔Δt和喷射出的液滴体积V，计算由于液滴喷射而导致的平均流量并与供液流量Qs进行比对，找到缓变区间T1并求出此区间的平均流量使用此值更新本***的供液流量值Qs，以此来保证喷口处液体体积的稳定。测量微米介质球直径的散射方法是基于Mie散射理论。散射光强度随散射角α呈周期性变化，对于一定波长其变化频率与球体直径成正比，比例系数由介质的介电常数确定。相关方法可参考《Light Scattering By Small Particles》。与基于面阵CCD拍摄液滴图片并测量液滴直径的方法相比较，线阵CCD利用光散射测量液滴直径的方法采集单个液滴散射光强度的角分布信号，此信号的数据量小，结合基于FPGA的快速傅里叶变换方法计算散射光角分布变化频率，从而推算出液滴直径，可实现对极短液滴产生时间间隔(短至0.1ms)的实时监测。
发明内容
本发明提出一种便于工业和科研使用的单液滴静电喷射装置，该装置能实时监测液滴进入激光束照射范围时刻t和单个液滴体积V。并估算出液滴喷射的平均流量使之作为实际供液量流速Qs的设置参考值，保证了喷口处液体体积的相对稳定，使得在电场下喷口处液体形成的泰勒锥形态一致，进而实现液滴产生时间间隔和单个液滴体积V保持稳定。相比当前主要使用的无监控的单液滴静电喷射装置可以更好地满足高精度科研实验的需求。
一种单液滴静电喷射***，该***由驱动电机1、注射器2、喷嘴3、喷嘴支架4、液滴收集器5、激光器6、透镜7、光电倍增管8、线阵CCD 9、模数转换器ADC 10、FPGA 11和高压电源12组成。驱动电机1与注射器2连接，注射器2由驱动电机1进行驱动；注射器2的喷口处设有喷嘴3，喷嘴3被固定在喷嘴支架4上，喷嘴3与液滴收集器5相对应；喷嘴3与液滴收集器5之间设有高压电源12；激光器6设置在喷嘴3与液滴收集器5之间的一侧，激光器6射出的激光经过喷嘴3滴落液滴后产生散射，散射激光经过透镜7与光电倍增管8进行交互；光电倍增管8与FPGA 11连接，FPGA 11与模数转换器ADC 10连接，模数转换器ADC 10与线阵CCD 9连接。
在喷嘴3和收集器5之间施加高压电源12引入静电势，注射器器2在驱动电机1的推动下以某一流速供液体，喷嘴3喷口处的液体在电场力、重力和表面张力联合作用下产生形变并呈现泰勒锥状，当电场力和重力的作用强大到足以克服表面张力时，泰勒锥顶端液体断裂，形成液滴，被收集器5收集。
与常规无实时监控的静电液滴喷射***不同的，本发明中静电液滴喷射装置中加有一个调节控制装置，该调节控制装置由激光器6，透镜7，光电倍增管8，线阵CCD 9，模数转换器ADC 10和FPGA 11共六部分组成，如图2所示。
单液滴静电喷射***稳定工作的调控方法，该方法使用光电倍增管作为调节控制装置的启动电路，当第i个滴落的液滴进入激光束照射范围时将发生光散射现象，光电倍增管将收集到的光脉冲信号转换成电脉冲信号作为本***的启动信号。当启动信号有效时，记录时刻ti。同时FPGA控制线阵CCD采集散射光强度随散射角α的信息。线阵CCD信号经模数转换器ADC转化为数字信号，由FPGA通过快速傅里叶变换IP核将光散射强度随散射角α周期变化的时域信息变换为频率信息，从而计算出单个液滴体积Vi。然后计算出平均流量其定义为第(n-m+1)～第n个这m个液滴产生的平均流量，表示当第n个液滴进入激光束时，包括当前液滴的前m个液滴产生的平均流量值，具体计算公式如公式(1)所示。
FPGA通过收集到的单个液滴体积Vi和单个液滴进入激光束照射范围时刻t的信息计算出并传送给电脑，绘制出流量散点图，找出缓变区间T1并去掉骤变区间T2的数据，计算出缓变区间T1的液滴产生流量的平均值为了使静电液滴产生装置处于稳定工作状态，将供液流量Qs更改为作为本***新的供液流量值。
m值可根据实验要求自行更改。m值越大，表示越多的液滴产生平均流量导致流量散点图过于平滑而不能精确体现液滴产生平均流量与***供液流量Qs的差值；m值越小，表示液滴产生平均流量的散点波动清晰并能很好的区分缓变区间T1和骤变区间T2。
使用线阵CCD和模数转换器ADC进行光电转换和模数转换。线阵CCD将散射光强度随散射角α的光信号转换成电信号，模数转换器ADC将这个模拟电信号转换成数字信号发送给FPGA。利用FPGA快速傅里叶变换IP核计算出散射光强度随散射角变化频率，从而计算出单个液滴体积。该装置能实现极小时间间隔液滴产生工作状态的实时监测。具体量级估计为10KHz的监测速率，采用20MHz采样频率的2048像素线阵CCD(例如东芝的线阵CCD型号TCD1209D)其每秒可以达到9578帧(大约10K帧/秒)；采用工作频率40MHz的模数转换器ADC(例如AD9945)可实现模数转换与CCD测量速度的匹配。其中使用FPGA进行信号处理，处理过程采用流水线方式，可以支持CCD的最大速度来检测穿越激光束的液滴，监测频率约10KHz，对应液滴产生时间间隔0.1ms。速度远远高于采用面阵CCD和图像处理方法对液滴产生状态的检测。
FPGA处理信号包括四部分：S1、对模数转换器ADC转换后的数字信号进行FIR滤波。S2、对FIR滤波后的数据进行快速傅里叶变换(FFT)变换。S3、提取FFT后的峰值所对应的频率值。该频率值反映了液滴散射条纹的特性，进而反映了液滴的尺寸，从而计算出液滴的体积V。S4、记录并计算m个液滴产生流量和时间t并将数据上传给电脑端。
附图说明
图1一定量的液体在喷头处滴落示意图。
图2实验装置图。
图3***设置流速偏小和液滴产生流速示意图。
图4***设置流速偏大和液滴产生流速示意图。
具体实施方式
如图2所示，本***主要由驱动电机1、注射器2、喷嘴3、喷嘴支架4、液滴收集器5、激光器6、透镜7、光电倍增管8、线阵CCD 9、模数转换器ADC 10、FPGA 11和高压电源12组成。该静电喷射液滴装置中还加有一个调节控制装置，由激光器6，透镜7，光电倍增管8，线阵CCD 9，模数转换器ADC 10和FPGA 11共6部分组成。其中激光器6发射出的激光束与透镜7、光电倍增管8和线阵CCD 9都处于同一水平面内，且位于喷嘴3下方1cm处。透镜7和光电倍增管8分别放置在距离喷嘴3垂直方向的10cm和20cm处，且在水平方向上与光束呈一定夹角(例如45度角)；线阵CCD 9放置在与激光束方向另一夹角方位(例如45度角)。调节控制装置的摆放位置没有明确的规定，装置摆放的角度和距离可以根据实验情况进行调整。
FPGA处理信号包括四部分：S1、对模数转换器ADC转换后的数字信号进行FIR滤波。S2、对FIR滤波后的数据进行快速傅里叶变换(FFT)变换。S3、提取FFT后的峰值所对应的频率值。该频率值反映了液滴散射条纹的特性，进而反映了液滴的尺寸，从而计算出液滴的体积V。S4、记录并计算m个液滴产生流量和时间t并将数据上传给电脑端。
最后，通过MATLAB绘图分析出缓变区间T1和骤变区间T2的数据，计算出缓变区间T1的液滴产生流量的平均值为了使得静电液滴产生***处于稳定工作状态，将供液流量Qs更改为作为本***的新的供液流量值。

Claims (4)

1.一种单液滴静电喷射***，其特征在于：该***由驱动电机(1)、注射器(2)、喷嘴(3)、喷嘴支架(4)、液滴收集器(5)、激光器(6)、透镜(7)、光电倍增管(8)、线阵CCD(9)、模数转换器ADC(10)、FPGA(11)和高压电源(12)组成；驱动电机(1)与注射器(2)连接，注射器(2)由驱动电机(1)进行驱动；注射器(2)的喷口处设有喷嘴(3)，喷嘴(3)被固定在喷嘴支架(4)上，喷嘴(3)与液滴收集器(5)相对应；喷嘴(3)与液滴收集器(5)之间设有高压电源(12)；激光器(6)设置在喷嘴(3)与液滴收集器(5)之间的一侧，激光器(6)射出的激光经过喷嘴(3)滴落液滴后产生散射，散射激光经过透镜(7)与光电倍增管(8)进行交互；光电倍增管(8)与FPGA(11)连接，FPGA(11)与模数转换器ADC(10)连接，模数转换器ADC(10)与线阵CCD(9)连接；
在喷嘴(3)和液滴收集器(5)之间施加高压电源(12)引入静电势，注射器(2)在驱动电机(1)的推动下以某一流速供液体，喷嘴(3)喷口处的液体在电场力、重力和表面张力联合作用下产生形变并呈现泰勒锥状，当电场力和重力的作用强大到足以克服表面张力时，泰勒锥顶端液体断裂，形成液滴，液滴被液滴收集器(5)收集。
2.根据权利要求1所述的一种单液滴静电喷射***，其特征在于：
FPGA处理信号包括四部分：S1、对模数转换器ADC转换后的数字信号进行FIR滤波。S2、对FIR滤波后的数据进行快速傅里叶变换(FFT)变换。S3、提取FFT后的峰值所对应的频率值。该频率值反映了液滴散射条纹的特性，进而反映了液滴的尺寸，从而计算出液滴的体积V。S4、记录并计算m个液滴产生流量和时间t并将数据上传给电脑端。
3.利用权利要求1所述***进行的单液滴静电喷射***稳定工作的调控方法，其特征在于：
该方法使用光电倍增管作为调节控制装置的启动电路，当第i个滴落的液滴进入激光束照射范围时将发生光散射现象，光电倍增管将收集到的光脉冲信号转换成电脉冲信号作为本***的启动信号；当启动信号有效时，记录时刻ti；同时FPGA控制线阵CCD采集散射光强度随散射角α的信息；线阵CCD信号经模数转换器ADC转化为数字信号，由FPGA通过快速傅里叶变换IP核将光散射强度随散射角α周期变化的时域信息变换为频率信息，从而计算出单个液滴体积Vi；然后计算出平均流量其定义为第(n-m+1)～第n个这m个液滴产生的平均流量，表示当第n个液滴进入激光束时，包括当前液滴的前m个液滴产生的平均流量值，具体计算公式如公式(1)所示；
FPGA通过收集到的单个液滴体积Vi和单个液滴进入激光束照射范围时刻t的信息计算出并传送给电脑，绘制出流量散点图，找出缓变区间T1并去掉骤变区间T2的数据，计算出缓变区间T1的液滴产生流量的平均值为了使得静电液滴产生装置处于稳定工作状态，将供液流量Qs更改为作为本***的新的供液流量值。
4.根据权利要求3所述的单液滴静电喷射***稳定工作的调控方法，其特征在于：
m值可根据实验要求自行更改。m值越大，表示越多的液滴产生平均流量导致流量散点图过于平滑而不能精确体现液滴产生平均流量与***供液流量Qs的差值；m值越小，表示液滴产生平均流量的散点波动清晰并能很好的区分缓变区间T1和骤变区间T2。
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