CN103675332B - 一种微尺度下测量滑移速度的装置与测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种微尺度下测量滑移速度的装置，包括用关系连接的微量气体泵、气压表、微量注射泵、液体、矩形通道、高速摄像系统和水槽，矩形通道左侧壁面为亲水性的硅片一，右侧有两片硅片拼接组成，下侧为亲水硅片三，上侧为疏水硅片二，矩形通道前后两侧为透明玻璃片，微量气体泵向矩形通道内送微量气体，微量注射泵向矩形通道中注入液柱，高速摄像系统对通道内摄像，对所摄图像分析处理，分别测量液柱移动的两个位置与硅片一和硅片二的接触点之间的距离，及运动时间，用位移除以时间得出液柱在两硅片面上的速度，两硅片上的速度差就是液柱在硅片二上的滑移速度。有益效果是：实验实施方便，后期处理简单，实验结果清晰易懂；重复性好；适用于微流体系统。
Description
技术领域
本发明属于微流体系统测量技术领域，尤其涉及微流体系统滑移速度测量技术，特别涉及图像法测量滑移速度技术。
背景技术
随着微流体系统的发展，微尺度流动研究一直是人们所关注的课题，随着微机械发展，微通道流场流动状况越来越引起人们的重视，这些微通道的直径往往从纳米到微米级不等，受通道壁面引力和表面形貌的影响，微流体的运动特性有别于宏观流道内的液体流动特性，壁面边界上的滑移速度已引起越来越多的关注。目前国内外对疏水表面减阻机制的解释普遍采用的是Navier提出的壁面滑移模型，即在流体流经固体表面时存在一个滑移速度。但在疏水表面的流动滑移特性和滑移影响因素等问题上还一直存在着争议，许多研究者采用不同的方法进行试验，试图探索减阻与滑移长度、表面能以及表面粗糙度的关系，目前还没有形成统一的认识。测量滑移的常规方法是流量-压降法，即在毛细管或者微通道的两端给定压力降，测量对应的流量，然后根据理论关系式间接得到滑移速度和滑移长度。此法的不足是：利用对宏观量的测量来研究微观现象，其精度受到一定影响。随着流场定量可视化、粒子跟踪测速、粒子图像测速(Particle Image Velocity，PIV)等技术的发展，现有技术中有了直接观测超疏水表面对速度的影响的方法，这种方法的不足是：需要对数据和图像进行大量分析，较为复杂。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种微尺度下测量滑移速度的装置与测量方法，使操作方便，且易于实现。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种微尺度下测量滑移速度的装置，包括微量气体泵、管系、气压表、微量注射泵、液体、矩形通道、高速摄像系统和水槽，其特征在于：所述矩形通道左侧壁面为亲水性的硅片一，右侧壁面由两片硅片在同一平面上下拼接组成，下侧硅片为亲水硅片三，上侧硅片为疏水硅片二，疏水硅片二的长度为下侧亲水硅片三的2～4倍，矩形通道前后两侧壁为透明玻璃片，矩形通道左右两侧壁之间的的距离为0.1～10mm，矩形通道下端用管路与微量气体泵连接，气压表连接在矩形通道与微量气体泵连接的管路上，矩形通道上端用管路与水槽连接，所述微量注射泵与矩形通道连通，连通位置位于亲水硅片三的中下部，微量注射泵与液体连通，所述高速摄像系统置于与矩形通道透明玻璃片相对的位置，摄像视窗位于疏水硅片二和亲水硅片三的交界面处，视窗视野在疏水硅片二和亲水硅片三交界面上下5mm。
本发明所述一种微尺度下测量滑移速度的装置，其特征在于：所述矩形通道的长宽值为25mm*5mm。
本发明所述一种微尺度下测量滑移速度的装置，其特征在于：所述微量气体泵流量范围为0～500ml/h；所述连接管路的直径为4mm；所述气压表量程范围为0～10Kpa。
本发明所述一种微尺度下测量滑移速度的装置，其特征在于：所述高速摄像系统的最小帧频大于1000fp/s，内存大于等于2Gb。
本发明所述一种微尺度下测量滑移速度的装置的测量方法，其特征在于：所述测量方法如下：
1)打开微量气体泵向矩形通道内持续送微量气体；
2)打开高速摄像系统对矩形通道内摄像；
3)打开微量注射泵向矩形通道中注入液柱，液柱与矩形通道左右两侧壁面相接触；
4)液柱在微量气体推动下在矩形通道内向上运动，高速摄像系统摄录下矩形通道内液柱运动图像；
5)对所摄图像分析处理，在图像上设定液柱的位置Ⅰ，位置Ⅰ液柱与右侧硅片的接触点为D点，D点位于疏水硅片二和亲水硅片三交界面处，位置Ⅰ液柱与左侧亲水硅片一的上接触点为A点，在图像上设定液柱的位置Ⅱ，位置Ⅱ液柱的位于疏水硅片二和亲水硅片三交界面上部，位置Ⅱ处液柱上侧气液界面形状处于初始稳定不变状态，位置Ⅱ处液柱与左侧亲水硅片一的上接触点为B点，位置Ⅱ液柱与右侧疏水硅片二的接触点为C点，测量A点和B点、C点和D点之间的距离，高速摄像系统显示的液柱由位置Ⅰ运动到位置Ⅱ的时间即为液柱由位置Ⅰ运动到位置Ⅱ的运动时间，分别用测量的A点和B点之间的距离、C点和D点之间的距离除以液柱由位置Ⅰ运动到位置Ⅱ的运动时间，分别得出液柱在亲水硅片一和疏水硅片二两壁面处的流动速度，用液柱在疏水硅片二上的流动速度减去液柱在亲水硅片一上的流动速度即得到液柱在疏水硅片二处的滑移速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
4.用图像法测量液柱在微通道壁面的滑移速度，实验实施方便，后期处理简单，实验结果清晰易懂。
5.易于实现，重复性好。
6.适用于微流体系统。
附图说明
图1是本发明的微尺度下测量滑移速度装置示意图。
图2是测试过程示意图。
图3是测试实施例位置Ⅰ图像图。
图4是测试实施例位置Ⅱ图像图。
图中1.微量气体泵，2.管系，3.气压表，4.微量注射泵，5.液体，6.液柱，7.矩形通道，8.亲水硅片一，9.疏水硅片二，10.高速摄像系统，11.亲水硅片三，12.水槽，13.B接触点，14.位置Ⅱ，15.A接触点，16.位置Ⅰ，17.C接触点，18.交界面，19.D接触点，d1、液柱在亲水硅片一壁面移动的距离，d2、液柱在疏水硅片二壁面移动的距离。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步地描述。
微尺度下测量滑移速度的装置包括微量气体泵1、管系2、气压表3、微量注射泵4、液体5、矩形通道7、高速摄像系统10和水槽12，矩形通道7左侧壁面为亲水性的硅片一8，右侧壁面由两片硅片在同一平面上下拼接组成，下侧硅片为亲水硅片三11，上侧硅片为疏水硅片二9，疏水硅片二9的长度为下侧亲水硅片三11的3倍，矩形通道前后两侧壁为透明玻璃片，矩形通道7左右两侧壁之间的的距离为1mm，矩形通道7的长宽值为25mm*5mm，矩形通道7下端用管路2与微量气体泵1连接，微量气体泵1流量范围为0～500ml/h；连接管路的直径为4mm；气压表3连接在矩形通道7与微量气体泵1连接的管路上，气压表3量程范围为0～10Kpa，矩形通道7上端用管路2与水槽10连接，所述微量注射泵4与矩形通道7连通，连通位置位于亲水硅片三11的中下部，微量注射泵4与液体5连通，高速摄像系统10置于与矩形通道透明玻璃片相对的位置，摄像视窗位于疏水硅片二9和亲水硅片三11的交界面18处，视窗视野界面在疏水硅片二9和亲水硅片三11交界面18上下5mm，高速摄像系统10的最小帧频大于1000fp/s，内存大于等于2Gb。
测量方法如下：
1)打开微量气体泵1向矩形通道7内持续送微量气体；
2)打开高速摄像系统10对矩形通道7内摄像；
3)打开微量注射泵4向矩形通道7中注入液柱6，液柱6与矩形通道7左右两侧壁面相接触；
4)液柱在微量气体推动下在矩形通道内向上运动，高速摄像系统10摄录下矩形通道内液柱6运动图像；
5)对所摄图像分析处理，在图像上设定液柱的位置Ⅰ，位置Ⅰ液柱6与右侧硅片的接触点设为D点19，D点19位于疏水硅片二9和亲水硅片三11交界面18处，位置Ⅰ液柱6与左侧亲水硅片一8的上接触点设为A点15，在图像上设定液柱的位置Ⅱ14，位置Ⅱ液柱14的位于疏水硅片二9和亲水硅片三11交界面18上部，位置Ⅱ14处液柱6上侧气液界面形状处于初始稳定不变状态，位置Ⅱ14处液柱6与左侧亲水硅片一8的上接触点设为B点13，位置Ⅱ14液柱(6)与右侧疏水硅片二9的上接触点设为C点17，测量A点15和B点13、C点17和D点19之间的距离，高速摄像系统8显示的液柱6由位置Ⅰ16运动到位置Ⅱ14的时间即为液柱6由位置Ⅰ16运动到位置Ⅱ14的运动时间，分别用测量的A点15和B点13之间的距离、C点17和D点19之间的距离除以液柱6由位置Ⅰ16运动到位置Ⅱ14的运动时间，得出液柱6在亲水硅片一8和疏水硅片二9两壁面处的流动速度，用液柱6在疏水硅片二9上的流动速度减去液柱6在亲水硅片一8上的流动速度即得到液柱在疏水硅片二9上的滑移速度。
实际测量条件如下：微量气体泵1的流量为500ml/h；亲水硅片一8的长宽高为25*5*0.46，其接触角为76°；疏水硅片二9的长宽高为20*5*0.46，其接触角为152°，为超疏水表面；亲水硅片三11的长宽高为5*5*0.46，其接触角为76°；高速摄像系统的帧频设置为1000fp/s。
实测结果是：A点15和B点13之间的距d1的长度为0.261mm，C点17和D点19之间的距离d2的长度为0.434mm，从位置Ⅰ16到位置Ⅱ14的时间间隔为0.023s，计算得到，液柱在亲水硅片一8壁面速度为0.011m/s，液柱在疏水硅片二9壁面速度为0.019m/s，用液柱在疏水硅片二9壁面速度0.019m/s减去液柱在亲水硅片一8壁面速度0.011m/s，即0.019-0.011＝0.008，液柱在疏水硅片二9壁面的滑移速度值为0.008m/s。
Claims (5)
1.一种微尺度下测量滑移速度的装置，包括微量气体泵(1)、管系(2)、气压表(3)、微量注射泵(4)、液体(5)、矩形通道(7)、高速摄像系统(10)和水槽(12)，其特征在于：所述矩形通道(7)左侧壁面为亲水性的硅片一(8)，右侧壁面由两片硅片在同一平面上下拼接组成，下侧硅片为亲水硅片三(11)，上侧硅片为疏水硅片二(9)，疏水硅片二(9)的长度为下侧亲水硅片三(11)的2～4倍，矩形通道前后两侧壁为透明玻璃片，矩形通道(7)左右两侧壁之间的距离为0.1～10mm，矩形通道(7)下端用管路(2)与微量气体泵(1)连接，气压表(3)连接在矩形通道(7)与微量气体泵(1)连接的管路上，矩形通道(7)上端用管路(2)与水槽(10)连接，所述微量注射泵(4)与矩形通道(7)连通，连通位置位于亲水硅片三(11)的中下部，微量注射泵(4)与液体(5)连通，所述高速摄像系统(10)置于与矩形通道透明玻璃片相对的位置，摄像视窗位于疏水硅片二(9)和亲水硅片三(11)的交界面(18)处，视窗视野界面在疏水硅片二(9)和亲水硅片三(11)交界面(18)上下5mm。
2.根据权利要求1所述一种微尺度下测量滑移速度的装置，其特征在于：所述矩形通道(7)的长宽值为25mm*5mm。
3.根据权利要求1所述一种微尺度下测量滑移速度的装置，其特征在于：所述微量气体泵(1)流量范围为0～500ml/h；所述连接管路的直径为4mm；所述气压表(3)量程范围为0～10Kpa。
4.根据权利要求1所述一种微尺度下测量滑移速度的装置，其特征在于：所述高速摄像系统(10)的最小帧频大于1000fp/s，内存大于等于2Gb。
5.权利要求1所述一种微尺度下测量滑移速度的装置的测量方法，其特征在于：所述测量方法如下：
1)打开微量气体泵(1)向矩形通道(7)内持续送微量气体；
2)打开高速摄像系统(10)对矩形通道(7)内摄像；
3)打开微量注射泵(4)向矩形通道(7)中注入液柱(6)，液柱(6)与矩形通道(7)左右两侧壁面相接触；
4)液柱在微量气体推动下在矩形通道内向上运动，高速摄像系统(10)摄录下矩形通道内液柱(6)运动图像；
5)对所摄图像分析处理，在图像上设定液柱的位置Ⅰ，位置Ⅰ液柱(6)与右侧硅片的接触点设为D点(19)，D点(19)位于疏水硅片二(9)和亲水硅片三(11)交界面(18)处，位置Ⅰ液柱(6)与左侧亲水硅片一(8)的上接触点设为A点(15)，在图像上设定液柱的位置Ⅱ(14)，位置Ⅱ液柱(14)的位于疏水硅片二(9)和亲水硅片三(11)交界面(18)上部，位置Ⅱ(14)处液柱(6)上侧气液界面形状处于初始稳定不变状态，位置Ⅱ(14)处液柱(6)与左侧亲水硅片一(8)的上接触点设为B点(13)，位置Ⅱ(14)液柱(6)与右侧疏水硅片二(9)的接触点设为C点(17)，测量A点(15)和B点(13)、C点(17)和D点(19)之间的距离，高速摄像系统(8)显示的液柱(6)由位置Ⅰ(16)运动到位置Ⅱ(14)的时间即为液柱(6)由位置Ⅰ(16)运动到位置Ⅱ(14)的运动时间，分别用测量的A点(15)和B点(13)之间的距离、C点(17)和D点(19)之间的距离除以液柱(6)由位置Ⅰ(16)运动到位置Ⅱ(14)的运动时间，分别得出液柱(6)在亲水硅片一(8)和疏水硅片二(9)两壁面处的流动速度，用液柱(6)在疏水硅片二(9)上的流动速度减去液柱(6)在亲水硅片一(8)上的流动速度即得到液柱在疏水硅片二(9)处的滑移速度。
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