CN102284390B - 自动化控制多射流静电喷射系统达到稳定状态的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种自动化控制多射流静电喷射系统达到稳定状态的控制方法，属于静电喷射技术领域。特征在于：利用自动反馈控制装置通过检测静电喷射电流的变化来确定对应的静电喷射状态（该喷射状态可以包括特定的喷射电流数值、射流数目、射流角度、射流空间分布，等等），并通过调整电荷注入、液体流量、电场分布、喷射介质特性等方式进行反馈控制，使之达到射流数-电流关系曲线图的波峰点或电压-电流关系曲线图的波谷点，使之达到并稳定在想要得到的喷射状态。本发明可用于工业或实验用的多射流静电喷射系统的自动化控制，具有方便实用、精确可靠的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动化控制的多射流静电喷射系统的设计和使用，通过检测静电喷射电流来进行反馈控制以调节静电喷射使达到某个预定的喷射状态，比如稳定控制在某个特定的射流数目和射流空间分布等，属于静电喷射技术领域。
背景技术
静电喷射本质上是利用静电力使液体弥散从而产生带有静电的细小液滴的技术，通常在该过程中会形成这些细小液滴如水柱一般喷射而出的情况，称为射流；如果在喷射中只形成单个射流，则称为单射流静电喷射模式；如果同时形成多个射流，则称为多射流静电喷射模式。单射流静电喷射模式所形成的单个射流包含排列成一条直线的一连串几乎完全相同的静电液滴，如附图2中所示。多射流静电喷射模式则形成多个包含一连串几乎完全相同的静电液滴的射流，其中各个射流所含的静电液滴大小、带电量等也几乎完全相同，其空间排布通常以喷头为轴心形成轴对称分布，如附图3中所示。单射流静电喷射的物理原理已经在20世纪60年代由G. Taylor和J. R. Melcher等人提出的泄漏介质模型得到解释，可参见Annual Review of Fluid Mechanics, 1969, 1, 111-146的Electrohydrodynamics: A Review of the Role of Interfacial Shear Stresses等文献。2005年由W. Gu（发明人）等首次系统地报道了稳定可控的多射流（multi-jet）静电喷射模式，并给出了多射流静电喷射模式的第一个定量的物理模型，参见Applied Physics Letters, 2005, 87, 084107。静电喷射技术已经在工业喷涂、精细编织、大生物分子质谱仪、薄膜沉积等领域得到广泛的应用，其在纳米制造、纳米印刷、新能源和新材料等新兴工业领域的应用方兴未艾。相比单射流静电喷射，多射流静电喷射可以得到喷射覆盖面更广、所产生液滴更小的静电喷射，喷射效果更好，特别是在薄膜沉积和纳米新材料制备等领域用途广泛。
但是，当前多射流静电喷射还缺乏一种自动化的控制手段，要想得到某个特定的喷射状态包括射流数目、平均液滴大小、射流空间分布等，都需要人工观测喷射状态，通过手动调节电压、液体流速等参数逐渐达到要求，不但精度和可重复性都难以保证，也限制了该技术在大规模工业生产上的应用。
发明内容
本发明旨在提出一种便于工业和科研使用的自动化控制的自动化控制多射流静电喷射系统及其控制方法，相比当前主要使用的手动调节方式可以大幅度提高多射流静电喷射的精度和可重复性，以满足高精度科研实验和规模化自动化工业生产的需求。
一种自动化控制多射流静电喷射系统达到稳定状态的控制方法，所述自动化控制多射流静电喷射系统包括静电喷射喷头以及通过液体流量控制装置或液体输送开关与静电喷射喷头相连的液体储存和输运装置，还包括经过电荷产生或注入开关与静电喷射喷头相连的电荷产生和注入装置，还包括位于静电喷射喷头下方的喷射基底，其特征在于：该静电喷射系统还包括一个自动反馈控制装置，该自动反馈控制装置通过检测状态参数中的一种或几种来确定对应的静电喷射状态，并通过调整输入参数中的一种或几种进行反馈控制，从而使多射流静电喷射稳定在某个预先设定的喷射状态；所述状态参数包括：静电喷射电流、静电喷射电流大小的稳定度、射流数目、射流角度、射流的空间分布，等等；所述输入参数包括：电荷注入时所施加的外加电压或电流、喷射介质流量、电场分布、喷射介质种类，等等；
其特征在于: 所述控制方法包括以下过程：
(1)、所检测的状态参数及所确定的静电喷射状态为以下一种或几种：（1-1）所检测的状态参数为静电喷射电流，如果电流是一连串连续的电流脉冲的模式，则对应的静电喷射模式是单射流静电喷射模式，其中电流脉冲的周期对应单射流静电喷射中相邻液滴的密集程度，电流脉冲的总放电量对应单个液滴的总带电量；如果电流是连续的不会周期性回到零点的近似直流电流的“准直流”模式，则对应的静电喷射模式是多射流静电喷射模式，其中电流的大小对应多个射流在单位时间里所产生的多个液滴的总带电量，电流的微小起伏对应这些液滴在和另一端电极撞击放电时的统计涨落，其电流幅度的变化和静电喷射稳定度直接相关，通常不会超过平均值的10%。（1-2）所检测的状态参数为静电喷射电流大小的稳定度；通过其来确定多射流静电喷射状态的稳定度；稳定的电流大小对应稳定的喷射状态，如果电流上下波动，则意味着静电喷射状态不稳定，通常是处在了某个过渡状态，比如射流数目在N和（N+1）之间（N为某个自然数）变化，第（N+1）个射流的产生不稳定会导致电流的相应变化。如果电流变化剧烈，则意味着静电喷射极不稳定，很可能是出现了空间电荷放电等情况。(1-3) 所检测的状态参数为射流数目、射流角度或射流的空间分布或它们的任意组合，或它们与静电喷射电流或静电喷射电流稳定度的任意组合。
(2)、上述进行反馈调节的输入参数为以下一种或几种：（2-1）进行调整的输入参数是电荷注入装置的电流或电压，来调节状态参数中的静电喷射电流；（2-2）通过改变液体输送装置的状态来调节状态参数中的静电喷射电流；（2-3）通过改变电场分布来调节状态参数中的静电喷射电流；（2-4）通过改变所喷射介质的性质来调节状态参数中的静电喷射电流；一个典型的实施方案是利用如图4所示的多射流静电喷射模式下电流和射流数目曲线的一一对应关系，通过扫描该关系曲线，取某个波峰点以得到特定射流数目的稳定喷射状态，对应给定的喷射介质通常其他状态参数包括射流角度、射流空间分布等等也就随之确定了。具体实施时可以采用如图1中所示的反馈回路，以图4曲线中某个特定的点作为回路控制目标点，由电流检测电路提供监控信息，通过改变外加电压、注入电流、液体流量、电场分布、注入液体性质等方式进行反馈控制以改变喷射状态从而改变喷射电流。
(3)、利用上述的控制方式进行检测及反馈控制：对应特定的喷射介质其状态参数是相互关联的，一旦确定其中之一，其他状态参数也就随之确定了；而控制静电喷射状态的各个输入参数是相互独立的，可以独立地改变其中某一个或几个参数而保持其他参数不变来改变喷射状态；所以我们事先通过理论计算或实验标定的方法确定某个易于实时监测的状态参数，该状态参数选定为静电喷射电流，和其他状态参数的关系，然后通过反馈控制调节一个或几个输入参数来调节该状态参数，以同时达到改变其他状态参数得到所需的静电喷射状态的目的。判定该状态参数和其他状态参数关系的特征方法是利用理论推导、经验公式或实验标定的射流数-电压关系曲线图或电压-电流关系曲线图预先校准各状态参数之间的关系，然后通过扫描该关系曲线图，依据算得或测得的静电喷射电流来判定其他状态参数，并利用自动反馈控制装置锁定在射流数-电流关系曲线图的波峰点使之达到并稳定在想要得到的喷射状态，或利用自动反馈控制装置锁定在电压-电流关系曲线图的波谷点使之达到并稳定在想要得到的喷射状态。（3-1）通过实时测量利用理论和经验公式，计算出某静电喷射电流所对应的喷射状态，或反之计算出某喷射状态所对应的静电喷射电流，从而调节反馈控制装置使之达到并稳定在该数值附近；计算中根据具体情况需要结合液体流量、外加电压在内的外部给定条件；上述理论和经验公式是 ，其中N是静电喷射的射流数目，I是静电喷射电流大小，Q是液体流量，η是由喷射液体性质决定的一个常数，通常由实验确定；（3-2）通过以上发明的几个方面中所描述的自动控制手段，辅之以人工监测和调节，以得到某个特定的喷射状态。
附图说明
图1是含有自动反馈控制系统的多射流静电喷射系统示意图；
图2是单射流静电喷射模式和对应的电流模式特征的示意图；
图3是多射流静电喷射模式和对应的电流模式特征的示意图；
图4是多射流静电喷射中电流和射流数目关系的典型曲线示意图；
图5是本发明第一实施例的正面示意图；
图6是本发明第一实施例中的一个具体实施例证中实验测得的电流-电压关系曲线；
图7是本发明第二实施例的正面示意图；
图8是本发明第三实施例的正面示意图；
图9是本发明第四实施例的俯视示意图；
图10是本发明第五实施例的俯视示意图；
图中标号名称： 1、喷头，2、电荷产生和注入装置，3、液体存储和输送装置，4、自动控制装置， 5、喷射基底， 6、电荷产生或注入开关，7、液体流量控制装置或液体输送开关，8、用于改变电场分布的外加电极，9、用来向喷射介质中加入添加剂（如电解质或表面活性剂或其他介质等）以改变喷射介质特性的添加剂注入装置。
具体实施方式
如图所示，一个静电喷射系统可以包括以下部分或全部装置：一个静电喷射喷头1，一个电荷产生和注入装置2，一个液体存储和输运装置3，一个自动反馈控制装置4，一个喷射基底5，一个控制电荷产生或注入通路的开关6，以及一个控制液体存储或输送通路的开关7，根据需要还可以加入一个除激发静电喷射用的正负电极以外的额外的外加电极8（可以用来调节电场分布等），一个添加剂注入装置9。各装置之间可以在物理上截然分开，也可以没有明确的界限；部分装置可以根据情况省略；等等。
喷头1的典型形式为管状，或毛细管、空腔、具有凸起点的表面或其他可以实现静电喷射的形状。喷射可以限制在一个特定的喷射腔内，腔内可以注入特定载气或使用空气或抽成真空；也可以没有特定的喷射腔限制，其喷射在空气或载气中进行。
电荷产生和注入装置2通常使用直流高压电荷或其他可以产生电荷的装置，其电荷极性可以为正也可以为负；其中的电荷注入装置为带尖端的金属电极或其他可以将电荷注入液体的装置，该装置可以部分或全部与液体相接触也可以不与液体产生物理接触（比如产生空间自由电荷后直接注入到液体内）。
液体存储和输送装置3的形式为储液容器、注射泵、连通器及其他可以实现液体存储和输送的装置，可以对该液体提供外加压力（如注射泵）也可以不提供压力而是利用连通器原理（如连通器）或其他方式（如单纯依靠静电力激发喷射）实现液体输送，可以带有液体流量控制和测量装置如阀门、流量计等，也可以不带有此类装置。
自动反馈控制装置4是通过反馈控制来改变喷射状态以达到预期目的的装置，通过检测状态参数中的一种或几种来确定对应的静电喷射状态，并通过调整输入参数中的一种或几种进行反馈控制，从而使多射流静电喷射稳定在某个预先设定的喷射状态；所述状态参数包括：静电喷射电流、静电喷射电流大小的稳定度、射流数目、射流角度、射流的空间分布；所述输入参数包括：电荷注入时所施加的外加电压或电流、喷射介质流量、电场分布、喷射介质种类。
喷射基底5可以有平面、球面或其他形状，可以是装有空气或载气的空腔，可以是特定的液体（如油类或水溶液），也可以是无机物或有机物固体（如硅片、玻璃、金属、有机物薄膜、塑料、纸张、食物、包裹、皮肤，等等）。根据具体应用需要，收集装置可以加上特定的电压、温度、气压等控制，也可以不加。
电荷产生或注入开关6（可以有也可以没有），用于控制电荷产生或者注入的通断。
液体流量控制装置或液体输送开关7（可以有也可以没有），用于控制液体输送的流量或通断。
外加电极8，是除了用于激发静电喷射的正负电极以外另加的电极，通常用于改变电场分布，其大小、极性和相对于已有电极的位置、相对于喷头或基底的位置等都可以根据需要加以调节。
添加剂注入装置9，用来向喷射介质中加入各种添加剂以改变其特性，包括其他介质、电解质和表面活性剂等。
几种不同的通过反馈控制改变喷射状态（从而同时改变喷射电流，其效果可以从喷射电流的改变来监测）的方法，可以单独使用也可以综合使用：（1）改变外加电压或注入电流的大小，如图5所示的本发明第一实施例所示；（2）改变所喷射液体的流量，如图7所示的本发明第二实施例所示；（3）改变电场分布，比如可以改变静电喷射喷头和基底的相对位置，如图8所示的本发明第三实施例所示；（4）改变电场分布，比如添加外加电极（可以施加与已有的正负电极相同或不同的电压，也可以不施加），然后改变其电压大小、极性或与已有的正负电极的相对位置来改变电场分布从而控制静电喷射，如图9所示的本发明第四实施例所示；（5）改变所喷射介质的性质，比如向介质中加入电解质以改变其电导率从而控制静电喷射，或者向介质中加入表面活性剂以改变其表面张力系数从而控制静电喷射，或者向介质中加入其他介质以改变其他特性（比如介电常数等），如图10所示的本发明第五实施例所示。
实施例之一：
如图5所示，使用自动反馈控制装置来改变注入电流的大小或外加电压的大小，以直接改变喷射电流，达到如图4所示的曲线中的某个特定的喷射状态点。附图6给出了一个具体实施例证中的实测数据，其中所喷射液体为异丙醇，喷头到基底的距离为3厘米，异丙醇流量为10微升/分钟，实验中直接改变外加电压的大小（从0到8000伏），检测到的静电喷射电流和外加电压的关系如图6所示，图中曲线上的数字标明了该点所对应的射流数目。这里的电流-射流数关系也符合
公式，其中N是静电喷射的射流数目，I是静电喷射电流，Q是液体流量，η是由喷射液体性质决定的一个常数。对于其他液体也可以得到类似的电流-电压曲线关系。实用中可以先标定如图4所示的电流-射流数目曲线，然后通过实时监控调节如图6所示的电流-电压曲线来方便地调节静电喷射状态。
实施例之二：
如图7所示，使用自动反馈控制装置来改变液体流量的大小，以间接改变喷射电流，达到如图4所示的曲线中的某个特定的喷射状态点。
实施例之三：
如图8所示，使用自动反馈控制装置来改变基底和喷头的相对位置，以改变电场分布，并间接改变喷射电流，达到如图4所示的曲线中的某个特定的喷射状态点。
实施例之四：
如图9所示，使用自动反馈控制装置来改变外加电极的大小或极性（也可以改变其相对喷头或基底的相对位置），以改变电场分布，并间接改变喷射电流，达到如图4所示的曲线中的某个特定的喷射状态点。
实施例之五：
如图10所示，使用自动反馈控制装置来向喷射介质中加入添加剂并控制其添加的数量或速率，以改变所喷射介质的性质（比如介电常数、电导率、表面张力系数，等等），并间接改变喷射电流，达到如图4所示的曲线中的某个特定的喷射状态点。
本发明可以应用于静电喷射所有已知的和待扩展的应用的各个方面，包括但不限于：打印机，电子电路印刷，聚合物电路印刷，显示屏印刷，集成电路印刷，组织工程，雾化器，电离器，质谱仪用带电粒子分离，无掩膜光刻，纳米材料和纳米结构制备，介观材料(metamaterial)制备，等等。
以上应用均应构成本发明的一部分。
Claims (1)
1.一种自动化控制多射流静电喷射系统达到稳定状态的控制方法，
所述自动化控制多射流静电喷射系统包括静电喷射喷头（1）以及通过液体流量控制装置或液体输送开关（7）与静电喷射喷头（1）相连的液体储存和输运装置（3），还包括经过电荷产生或注入开关（6）与静电喷射喷头（1）相连的电荷产生和注入装置（2），还包括位于静电喷射喷头（1）下方的喷射基底（5），其特征在于：
该静电喷射系统还包括一个自动反馈控制装置（4），该自动反馈控制装置（4）通过检测状态参数中的一种或几种来确定对应的静电喷射状态，并通过调整输入参数中的一种或几种进行反馈控制，从而使多射流静电喷射稳定在某个预先设定的喷射状态；所述状态参数包括：静电喷射电流、静电喷射电流大小的稳定度、射流数目、射流角度、射流的空间分布；所述输入参数包括：电荷注入时所施加的外加电压或电流、喷射介质流量、电场分布、喷射介质种类；
其特征在于：
所述控制方法包括以下过程：
（1）所检测的状态参数及所确定的静电喷射状态为以下一种或几种：
（1-1）所检测的状态参数为静电喷射电流；
如果电流是一连串连续的电流脉冲的模式，则对应的静电喷射模式是单射流静电喷射模式，其中电流脉冲的周期对应单射流静电喷射中相邻液滴的密集程度，电流脉冲的总放电量对应单个液滴的总带电量；
如果电流是连续的不会周期性回到零点的近似直流电流的“准直流”模式，则对应的静电喷射模式是多射流静电喷射模式，其中电流的大小对应多个射流在单位时间里所产生的多个液滴的总带电量，电流的微小起伏对应这些液滴在和另一端电极撞击放电时的统计涨落，其电流幅度的变化和静电喷射稳定度直接相关，通常不会超过平均值的10%；
（1-2）所检测的状态参数为静电喷射电流大小的稳定度；
通过其来确定多射流静电喷射状态的稳定度；
稳定的电流大小对应稳定的喷射状态，如果电流上下波动，则意味着静电喷射状态不稳定，通常是处在了某个过渡状态；
(1-3) 所检测的状态参数为射流数目、射流角度或射流的空间分布或它们的任意组合，或它们与静电喷射电流或静电喷射电流稳定度的任意组合；
（2）所述进行调整的输入参数为以下一种或几种：
（2-1）进行调整的输入参数是电荷注入装置的电流或电压，来调节状态参数中的静电喷射电流；
（2-2）通过改变液体输送装置的状态来调节状态参数中的静电喷射电流；
（2-3）通过改变电场分布来调节状态参数中的静电喷射电流；
（2-4）通过改变所喷射介质的性质来调节状态参数中的静电喷射电流；
（3）利用步骤（1）和（2）中的方式进行检测及反馈控制：
对应特定的喷射介质其状态参数是相互关联的，一旦确定其中之一，其他状态参数也就随之确定了；而控制静电喷射状态的各个输入参数是相互独立的，可以独立地改变其中某一个或几个参数而保持其他参数不变来改变喷射状态；所以事先通过理论计算或实验标定的方法确定某个易于实时监测的状态参数，该状态参数选定为静电喷射电流，和其他状态参数的关系，然后通过反馈控制调节一个或几个输入参数来调节该状态参数，以同时达到改变其他状态参数得到所需的静电喷射状态的目的；判定该状态参数和其他状态参数关系的特征方法是利用理论推导、经验公式或实验标定的射流数-电流关系曲线图或电压-电流关系曲线图预先校准各状态参数之间的关系，然后通过扫描该关系曲线图，依据算得或测得的静电喷射电流来判定其他状态参数，并利用自动反馈控制装置锁定在射流数-电流关系曲线图的波峰点使之达到并稳定在想要得到的喷射状态，或利用自动反馈控制装置锁定在电压-电流关系曲线图的波谷点使之达到并稳定在想要得到的喷射状态；
（3-1）通过实时测量利用理论和经验公式，计算出某静电喷射电流所对应的喷射状态，或反之计算出某喷射状态所对应的静电喷射电流，从而调节反馈控制装置使之达到并稳定在该数值附近；计算中根据具体情况需要结合液体流量、外加电压在内的外部给定条件；上述理论和经验公式是 
，其中N是静电喷射的射流数目，I是静电喷射电流大小，Q是液体流量，η是由喷射液体性质决定的一个常数，通常由实验确定；
（3-2）通过（1）和（2）中所描述的自动控制手段，辅之以人工监测和调节，以得到某个特定的喷射状态。
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