CN111272709A - 一种矿物与气泡或油滴间液膜薄化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿物与气泡或油滴间液膜薄化装置，属于浮选胶体化学技术领域，解决了现有技术中：(1)可用于光学不透明矿物测试的液膜薄化装置不能彻底排液；(2)液膜薄化装置无法同时获得矿物与气泡或油滴间相互作用力信息的问题。本发明包括光学干涉单元、同步驱动单元、测试单元、图像采集处理单元和控制单元；同步驱动单元和控制单元电连接，控制单元与测试单元电连接，测试单元与同步控制单元电连接；光学干涉单元用于在矿物与气泡或油滴靠近过程中产生干涉条纹；同步驱动单元用于自动焦点跟踪；测试单元用于将微形变转化为作用力。本发明结构简单紧凑，简化了试验操作，节约试验时间的同时节省了试验样品的消耗。
Description
技术领域
本发明涉及浮选胶体化学技术领域，尤其涉及一种用于矿物与气泡或油滴间液膜薄装置。
背景技术
目前，微纳尺度下的矿物与气泡或油滴黏附引起了浮选胶体化学领域学者的广泛关注，一系列用于研究矿物与气泡或油滴间相互作用力及液膜薄化动力学的试验技术逐渐涌现。矿物与气泡或油滴间相互作用力信息可直接由AFM(Atomic Force Microscope，原子力显微镜)直接获得。在作用力测量中，矿物与气泡或油滴间的力引起的微悬臂形变借助光学杠杆***转变为电压信号，根据胡克定律，微悬臂形变乘以弹性系数，可以获得矿物与气泡或油滴间作用力，但AFM无法获得光学不透明矿物与气泡或油滴间的液膜薄化动力学信息。
传统用于液膜薄化破裂动力学测试的液膜薄化装置主要有两种：一种是Scheludko槽吸液法的装置；另一种是毛细管主动驱动法的装置。对于Scheludko槽吸液法，需要在Scheludko槽中注满水，将固体基板固定在持液器顶部，通过压电驱动水泵吸出溶液直至观察到干涉条纹的出现，通过瞬态激发或流量控制模块促使液膜自发薄化或恒速薄化，采集薄化过程中的序列牛顿环用于后续分析处理；对于毛细管主动驱动法，需要在毛细管端口固定一个气泡或油滴，在压电驱动器的驱动下控制气泡或油滴缓慢接近样品直至在样品表面观测到干涉条纹，在压电驱动器的驱动下继续诱发液膜排液并对排液过程中的序列牛顿环进行采集，用于后续分析处理。Scheludko槽吸液法虽然能够用于光学不透明矿物测试，但测试过程中操作复杂且无法进行彻底排液，得不到准确数据，毛细管主动驱动法不能应用于光学不透明矿物，且现有装置也无法同时获得矿物与气泡或油滴间液膜薄化动力学测试信息以及矿物与气泡或油滴间相互作用力信息。
因此，亟需开发适用于光学不透明矿物与气泡或油滴间液膜薄化破裂动力学与相互作用力同步测试的装置，揭示光学不透明矿物与气泡或油滴间的相互作用机理。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种矿物与气泡或油滴间液膜薄化装置，用以解决现有技术中：(1)可用于光学不透明矿物测试的液膜薄化装置不彻底排液；(2)液膜薄化装置无法同时获得矿物与气泡或油滴间相互作用力信息的问题。
本发明实施例提供了一种矿物与气泡或油滴间液膜薄装置，包括光学干涉单元、同步驱动单元、测试单元、图像采集处理单元和控制单元；同步驱动单元和控制单元电连接，控制单元与测试单元电连接，测试单元与同步控制单元电连接；光学干涉单元用于在矿物与气泡或油滴靠近过程中产生干涉条纹；同步驱动单元能够在气泡或油滴接近过程界面变形后进行自动焦点跟踪；测试单元用于在矿物与气泡或油滴间作用力出现时发生微形变，并将微形变转化为作用力；图像采集处理单元用于观察干涉条纹及采集液膜薄化排液过程中的序列牛顿环。
进一步，所述光学干涉单元包括光源、滤波器、第一分光棱镜和第二分光棱镜；所述滤波器和第一分光棱镜设置在光源产生的平行光束通道上，且滤波器位于光源和第一分光棱镜的中间。
进一步，所述同步驱动单元包括调焦驱动模块和控制器，调焦驱动模块与控制器电连接，控制器与所述控制单元电连接。
进一步，所述测试单元包括PDMS托盘、光纤干涉计和样品槽，PDMS托盘和光纤干涉计均设置在样品槽内。
进一步，所述PDMS托盘和光纤干涉计设置在样品槽的侧壁上。
进一步，所述光纤干涉计设置在PDMS托盘的上方，气泡或油滴设置在PDMS托盘上。
进一步，所述图像采集处理单元包括倒置光学显微镜和光学相机，倒置光学显微镜设置在所述样品槽的下方，倒置光学显微镜与所述调焦驱动模块电连接，光学相机与所述控制单元电连接。
进一步，所述第一分光棱镜和第二分光棱镜均设置在倒置光学显微镜的下方。
进一步，所述第二分光棱镜设置在光学相机的前端。
进一步，所述倒置光学显微镜为IX73倒置光学显微镜，所述光学相机为CMOS光学相机。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)与传统装置相比，本发明通过设置矿物基板及基板驱动模块，克服了光学不透明材料用于液膜薄化破裂动力学测试时不能完全排液的局限性，使气泡或油滴排液彻底，实现了光学透明和不透明矿物与气泡或油滴间液膜薄化破裂动力学测试，可用于进一步探究微纳尺度下矿物与气泡或油滴间黏附机理；
(2)本发明通过控制器连接基板驱动模块和调焦驱动模块，形成同步驱动单元，在气泡或油滴接近过程界面变形后进行自动焦点跟踪，提高了采集干涉条纹的准确性，简化了试验操作，过程灵活可调；
(3)本发明通过PDMS托盘作为气泡或油滴的载体，光学透明且具有弹性，采用光纤干涉计对PDMS托盘的形变进行无接触测量，克服了传统AFM测试中受微悬臂本身直径的限制，气泡尺寸通常需在约100微米大小的局限性，实现了不同尺寸气泡与矿物间相互作用力的测试，同时实现了同一测试装置对矿物与气泡或油滴间液膜薄化动力学和相互作用力的同步测试，与传统作用力测试和液膜薄化动力学测试两个独立试验相比，本发明对一组样品进行同步测试可同时获得作用力及液膜薄化动力学两组数据，样品消耗减少一倍且试验时间缩短一半，简化了试验操作流程，缩短试验时间，减少样品消耗；
(4)本发明通过采用样品槽中PDMS托盘和光纤干涉计代替传统用于矿物与气泡或油滴间相互作用力测试的独立设备，节省了实验室空间，不需要额外布设单独用于作用力测试的独立设备，即可得到矿物与气泡或油滴间相互作用力数据，节省了实验室空间，增大了液膜薄化装置的适用范围。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明的液膜薄化装置的整体结构示意图。
附图标记：
11-光源；12-滤波器；13-第一分光棱镜；14-第二分光棱镜；21-基板驱动模块；211-矿物基板；22-调焦驱动模块；23-控制器；31-PDMS托盘；32-光纤干涉计；33-样品槽；41-倒置光学显微镜；42-光学相机；5-控制单元。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种矿物与气泡或油滴间液膜薄化装置，包括光学干涉单元、同步驱动单元、测试单元、图像采集处理单元和控制单元5。同步驱动单元和控制单元5电连接，控制单元5与测试单元电连接，测试单元与同步控制单元5电连接。光学干涉单元用于在矿物与气泡或油滴靠近过程中产生干涉条纹；同步驱动单元用于实现自动焦点跟踪；测试单元用于在矿物与气泡或油滴间作用力出现时发生微形变，并将微形变转化为作用力；图像采集处理单元用于观察干涉条纹及采集液膜薄化排液过程中的序列牛顿环；控制单元5用于控制器23控制和光学相机42采集数据的存储。
与现有技术相比，本实施例中，通过设置同步驱动单元，在气泡或油滴接近过程界面变形后进行自动焦点跟踪，提高了采集干涉条纹的准确性，简化了试验操作，使试验***操作灵活可调；实现了同一测试***对矿物与气泡或油滴间液膜薄化动力学和相互作用力的同步测试，简化了试验操作流程，缩短试验时间，减少样品消耗。
光学干涉单元包括光源11、滤波器12、第一分光棱镜13和第二分光棱镜14，光源11产生平行光束经滤波器12形成单色平行光束，滤波器12形成的单色平行光束经过第一分光棱镜13向上反射，经过倒置光学显微镜41，在气泡或油滴界面生成干涉条纹。
具体的，滤波器12和第一分光棱镜13位于光源11产生的平行光束通道上，且滤波器12位于光源11和第一分光棱镜13的中间，第一分光棱镜13和第二分光棱镜14均设置在倒置光学显微镜41的下方。
需要说明的是，第一分光棱镜13和第二分光棱镜14在布设时，需要注意各自折射的光束路径不发生交汇干涉，以免影响干涉条纹的产生及序列牛顿环的采集，影响试验结果。
同步驱动单元包括基板驱动模块21、调焦驱动模块22和控制器23，基板驱动模块21和调焦驱动模块22分别与控制器23电连接，控制器23与控制单元5连接，调焦驱动模块22与倒置光学显微镜41电连接。
基板驱动模块21的下端设置有矿物基板211，矿物基板211为光学不透明材质制作，基板驱动模块21能够驱动矿物基板211接近气泡或油滴，调焦驱动模块22用来驱动倒置光学显微镜41调焦，控制器23用来控制基板驱动模块21和调焦驱动模块22同步驱动，实现自动焦点跟踪。
本实施例中，同步驱动单元根据测试所需矿物基板211的运动速度，确定在矿物基板211恒定驱动速度下气泡或油滴界面变形过程中其界面位置变化速率，计算调焦驱动实现自动焦点跟踪所需的驱动速度，控制器23与基板驱动模块21和调焦驱动模块22连接用来控制同步驱动，矿物基板211以恒定速度缓慢靠近下方的气泡或油滴，在干涉条纹出现后通过控制器23触发同步驱动，调焦驱动模块22以确定速度驱动样品槽33下方的倒置光学显微镜41的调焦旋钮进行微旋调焦，实现自动对焦。
需要说明的是，本实施例的基板驱动模块21为任何能够实现矿物基板211直线移动的驱动装置，如直线导轨。
本实施例中，与传统装置相比，通过设置基板驱动模块21及矿物基板211，克服了光学不透明材料用于液膜薄化破裂动力学测试时不能完全排液的局限性，排液彻底，实现了光学透明和不透明矿物与气泡或油滴间液膜薄化破裂动力学测试，可用于进一步探究微纳尺度下矿物与气泡或油滴间黏附机理。
本实施例中，通过控制器23连接基板驱动模块21和调焦驱动模块22形成同步驱动单元，在气泡或油滴接近过程界面变形后进行自动焦点跟踪，提高了采集干涉条纹的准确性，简化试验操作，使液膜薄化装置灵活可调。
测试单元包括PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)托盘31、光纤干涉计32和样品槽33，PDMS托盘31和光纤干涉计32均设置在样品槽33内；具体的，样品槽33为倒“门”字型，PDMS托盘31和光纤干涉计32分别设置在样品槽33的侧壁上，光纤干涉计32设置在PDMS托盘31的上方，气泡或油滴设置在PDMS托盘31上。PDMS托盘31用来固定气泡或油滴并在矿物与气泡或油滴间作用力出现时发生微形变，光纤干涉计32置于PDMS托盘31上方用来无接触测量PDMS托盘31的微形变，根据胡克定律将微形变转化为作用力，完成作用力测试。
需要说明的是，光纤干涉计32置于PDMS托盘31上方，用来对PDMS托盘31的微形变进行无接触测量，根据胡克定律，将形变量乘以PDMS托盘31的弹性系数转化为作用力，PDMS托盘31的弹性系数可用十万分之一天平标定，用于完成对矿物与气泡或油滴间液膜薄化过程中的相互作用力的测量。
为了便于光束的穿透，样品槽33采用透明材质制作，用PDMS材质制作的托盘稳定性高且具有弹性和柔韧性，用来固定气泡或油滴并在矿物与气泡或油滴间作用力出现时能够发生微形变，保证光纤干涉计32能够完成作用力的测量，使液膜薄化装置能够对矿物与气泡或油滴间液膜薄化的相互作用力进行测试，由于此液膜薄化装置在矿物基板211靠近气泡或油滴的过程中，可对矿物与气泡或油滴间液膜薄化动力学进行测试，因而此液膜薄化装置可对矿物与气泡或油滴间液膜薄化动力学和相互作用力同步测试，相对于传统测试中，矿物与气泡或油滴间液膜薄化动力学测试和矿物与气泡或油滴间液膜薄化相互作用力分开测试过程，极大地简化了试验操作流程，缩短试验时间，减少样品消耗。
本实施例中，通过PDMS托盘31作为气泡或油滴的载体，光学透明且具有弹性，采用光纤干涉计32对PDMS托盘31的形变进行无接触测量，克服了传统AFM测试中受微悬臂本身直径的限制，气泡尺寸通常需在约100微米大小的局限性，实现了不同尺寸气泡与矿物间相互作用力的测试，能够对矿物与气泡或油滴间的相互作用力进行测试，实现了同一测试***对矿物与气泡或油滴间液膜薄化动力学和相互作用力的同步测试，与传统作用力测试和液膜薄化动力学测试两个独立试验相比，本实施例对一组样品进行同步测试可同时获得作用力及液膜薄化动力学两组数据，样品消耗减少一倍且试验时间缩短一半，简化了试验操作流程，缩短试验时间，减少样品消耗。同时，通过采用样品槽中PDMS托盘和光纤干涉计代替传统用于矿物与气泡或油滴间相互作用力测试的独立设备，节省了实验室空间，不需要额外布设单独用于作用力测试的独立设备，即可得到矿物与气泡或油滴间相互作用力数据，节省了实验室空间，增大了液膜薄化装置的适用范围。
图像采集处理单元包括倒置光学显微镜41和光学相机42，倒置光学显微镜41设置在样品槽33的下方，倒置光学显微镜41与调焦驱动模块22电连接，光学相机42与控制单元5电连接，第二分光棱镜14设置在光学相机42的前端；本实施例中，倒置光学显微镜41为IX73倒置光学显微镜，光学相机42为CMOS光学相机，倒置光学显微镜41用来辅助观察干涉条纹的形成过程，同时其调焦旋钮在调焦驱动模块22的驱动下调节焦点位置，光学相机42用来采集液膜薄化排液过程中的序列牛顿环。
需要说明的是，本实施例中的光束路径为：光源11产生的平行光束通过滤波器12形成单色平行光束，单色平行光束经过第一分光棱镜13向上反射，经过倒置光学显微镜41，穿过样品槽33的底部到达气泡或油滴，在气泡或油滴界面生成干涉条纹，气泡或油滴界面生成的干涉条纹通过下方的倒置光学显微镜41到达第二分光棱镜14，经过第二分光棱镜14的反射到达光学相机42，光学相机42采集液膜薄化排液过程中的序列牛顿环。
实施时，基板驱动模块21固定矿物基板211，气泡或油滴b附着在PDMS托盘31上，光纤干涉计32固定在PDMS托盘31上方，对托盘形变进行无接触测量，矿物基板211在基板驱动模块21的驱动下以恒定速度逼近气泡或油滴，通过倒置光学显微镜41观察干涉条纹，条纹出现后，控制器23控制基板驱动模块21和调焦驱动模块22同步驱动，基板驱动模块21控制矿物基板211继续接近气泡或油滴进一步诱发液膜排液，调焦驱动模块22进行自动焦点跟踪，光学相机42对排液过程中的序列牛顿环进行采集，光纤干涉计32对此过程中PDMS托盘31的微形变进行测量，控制单元5对数据进行存储，用于后续分析处理。
需要说明的是，传统装置中，毛细管驱动法通过控制气泡向下靠近固体基板，光束须透过固体基板在界面形成干涉条纹，因此，只有光学透明的光滑材料可用于测试，Scheludko槽吸液法将固体基板置于持液器顶部，可用于光学不透明基板测试，但测试过程中操作复杂且无法进行彻底排液。本发明设置基板驱动模块置于气泡或油滴上方，控制矿物基板向下靠近气泡或油滴，能够用于光学不透明矿物基板测试且排液彻底。
本实施例中的液膜薄化装置通过在基板驱动模块设置矿物基板，克服了光学不透明材料用于液膜薄化破裂动力学测试时不能完全排液的局限性，排液彻底，实现了光学透明和不透明矿物与气泡或油滴间液膜薄化破裂动力学测试，可用于进一步探究微纳尺度下矿物与气泡或油滴间黏附机理；通过控制器连接基板驱动模块和调焦驱动模块形成同步驱动单元，在气泡或油滴接近过程界面变形后进行自动焦点跟踪，提高了采集干涉条纹的准确性，简化试验操作，操作灵活可调；通过PDMS材质的托盘作为气泡或油滴的载体，PDMS材质的托盘光学透明且具有弹性，采用光纤干涉计对PDMS托盘的形变进行无接触测量，能够对矿物与气泡或油滴间的相互作用力进行测试，加之基板驱动模块使液膜薄化装置能够对矿物与气泡或油滴间的液膜薄化动力学测试，使液膜薄化装置实现了同一测试***对矿物与气泡或油滴间液膜薄化动力学和相互作用力的同步测试，与传统作用力测试和液膜薄化动力学测试两个独立试验相比，本实施例对一组样品进行同步测试可同时获得作用力及液膜薄化动力学两组数据，样品消耗减少一倍且试验时间缩短一半，简化了试验操作流程，缩短试验时间，减少样品消耗；同时，本实施例采用样品槽中PDMS托盘和光纤干涉计代替传统用于矿物与气泡或油滴间相互作用力测试的独立设备，不需要额外布设单独用于作用力测试的独立设备，即可得到矿物与气泡或油滴间相互作用力数据，节省了实验室空间，增大了液膜薄化装置的适用范围。
本发明的用于液膜薄化装置，既能够用于光学透明材料也能用于光学不透明材料的测试，使光学不透明矿物与气泡或油滴间液膜薄化动力学测试成为可能，且能够同时进行矿物与气泡或油滴间液膜薄化相互作用力的测试，结构简单紧凑，简化了试验操作，节约了试验时间的同时，节省了试验样品的消耗。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种矿物与气泡或油滴间液膜薄化装置，其特征在于，包括光学干涉单元、同步驱动单元、测试单元、图像采集处理单元和控制单元(5)；同步驱动单元和控制单元(5)电连接，控制单元(5)与测试单元电连接，测试单元与同步控制单元(5)电连接；
光学干涉单元用于在矿物与气泡或油滴靠近过程中产生干涉条纹；同步驱动单元能够在气泡或油滴接近过程界面变形后进行自动焦点跟踪；测试单元用于在矿物与气泡或油滴间作用力出现时发生微形变，并将微形变转化为作用力；图像采集处理单元用于观察干涉条纹及采集液膜薄化排液过程中的序列牛顿环。
2.根据权利要求1所述的液膜薄化装置，其特征在于，所述光学干涉单元包括光源(11)、滤波器(12)、第一分光棱镜(13)和第二分光棱镜(14)；所述滤波器(12)和第一分光棱镜(13)设置在光源(11)产生的平行光束通道上，且滤波器(12)位于光源(11)和第一分光棱镜(13)的中间。
3.根据权利要求2所述的液膜薄化装置，其特征在于，所述同步驱动单元包括调焦驱动模块(22)和控制器(23)，调焦驱动模块(22)与控制器(23)电连接，控制器(23)与所述控制单元(5)电连接。
4.根据权利要求3所述的液膜薄化装置，其特征在于，所述测试单元包括PDMS托盘(31)、光纤干涉计(32)和样品槽(33)，PDMS托盘(31)和光纤干涉计(32)均设置在样品槽(33)内。
5.根据权利要求4所述的液膜薄化装置，其特征在于，所述PDMS托盘(31)和光纤干涉计(32)设置在样品槽(33)的侧壁上。
6.根据权利要求5所述的液膜薄化装置，其特征在于，所述光纤干涉计(32)设置在PDMS托盘(31)的上方，气泡或油滴设置在PDMS托盘(31)上。
7.根据权利要求4所述的液膜薄化装置，其特征在于，所述图像采集处理单元包括倒置光学显微镜(41)和光学相机(42)，倒置光学显微镜(41)设置在所述样品槽(33)的下方，倒置光学显微镜(41)与所述调焦驱动模块(22)电连接，光学相机(42)与所述控制单元(5)电连接。
8.根据权利要求7所述的液膜薄化装置，其特征在于，所述第一分光棱镜(13)和第二分光棱镜(14)均设置在倒置光学显微镜(41)的下方。
9.根据权利要求8所述的液膜薄化装置，其特征在于，所述第二分光棱镜(14)设置在光学相机(42)的前端。
10.根据权利要求7-9所述的液膜薄化装置，其特征在于，所述倒置光学显微镜(41)为IX73倒置光学显微镜，所述光学相机(42)为CMOS光学相机。
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