CN106513235A - 一种不同折射率单液滴发生装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种不同折射率单液滴发生装置及其控制方法，压电喷头模块包括有底座，底座的上部设置有一个以上的用于注入不同液体的液体注入导管，底座的下部设置有喷头，喷头的入液口对应连接一个以上的液体注入导管的出液口，喷头的滴液口具有对应滴出一个以上的不同液体人液滴的滴孔，喷头的信号输入端连接信号传输总线的一端，信号传输总线的另一端连接脉冲信号发生器。方法：测量依次相连的进液通道、振动腔、出液通道和喷孔的总长度L；利用公式t＝4L/c得到脉宽调节周期t，通过脉宽调节周期t将脉宽调节至共振脉宽处；调节脉冲幅值，使脉冲幅值高于产生液滴的最低脉冲幅值；喷射液滴。本发明通过增加多个液体注入导管，可以同时喷射不同折射率单液滴而不需要更换液体。

Description

一种不同折射率单液滴发生装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种单液滴发生装置。特别是涉及一种不同折射率单液滴发生装置及其控制方法。

背景技术

在实际生产生活中，颗粒物一般成群存在，很难根据需要得到单个颗粒。市面上所出售的标准颗粒虽然粒径较为统一，但也是成群存在，分散成单个颗粒的过程比较复杂。气溶胶发生器用液体裹挟固态颗粒先产生液滴，而后通过干燥后可以形成单分散气溶胶，但一般也无法产生单个颗粒。目前单颗粒的产生也是通过产生液滴来实现，通过产生单液滴，而后经过干燥、溶剂挥发、结晶等过程形成单个颗粒，产生单液滴是产生单颗粒的前提条件。此外，由于表面张力的作用，单液滴相比固态颗粒具有更高的表面光滑度以及球形度，因而在颗粒光散射的研究中经常直接利用单液滴进行实验研究。

目前产生单液滴的方法一般是通过压电技术实现，其中又可分为按需式以及连续式两种：按需式是通过间歇性的电脉冲驱动压电材料，进而改变液体腔的体积，得到与脉冲对应的单液滴；连续式首先利用外界压力使喷孔出射液体柱，而后通过连续变化的交流电驱动压电材料使得喷孔产生振动，进而使出射的液体柱断裂形成单液滴。

内蒙古科技大学发明的“单颗粒高速液滴发生装置”就是一种连续式的单液滴产生装置，它通过压电陶瓷层的振动使得喷射出的液体柱发生断裂，进而形成连续的单液滴。上海理工大学研究过利用喷墨打印机喷头产生单液滴的方式，但是不能有效控制单孔喷射，也不能方便地产生不同折射率的单液滴。

美国明尼苏达大学颗粒技术实验室研制的Berglund Liu发生器也是一种连续式的液滴产生装置。它通过外界提供的稳定压力使喷孔出射速度稳定的液体柱，而后驱动喷孔振动使液体柱断裂成体积稳定的单液滴。而后可以根据需要对液滴进行干燥处理，得到粒径统一的固体颗粒。美国TSI公司研制的振动孔气溶胶发生器也和Berglund Liu发生器原理较为类似。这种连续式的液滴产生装置的液滴产生效率很高，虽然能够在一定范围内控制液滴产生的频率，但通常来说液滴较为密集。按需式的压电喷射技术目前多应用于喷墨打印机的喷头中，而用来喷射单液滴的装置仅在实验室环境中。例如美国MIT研制的Harris发生器就是一种按需式的单液滴发生装置，这种装置控制较为复杂，也不能方便地产生不同折射率的单液滴。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够按照需要产生不同折射率单液滴，且液滴粒径及出射速度稳定的不同折射率单液滴发生装置及其控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种不同折射率单液滴发生装置，包括脉冲信号发生器，还设置有压电喷头模块，所述压电喷头模块包括有底座，所述底座的上部设置有一个以上的用于注入不同液体的液体注入导管，底座的下部设置有喷头，所述喷头的入液口对应连接一个以上的液体注入导管的出液口，所述喷头的滴液口具有对应滴出一个以上的不同液体人液滴的滴孔，所述喷头的信号输入端连接信号传输总线的一端，所述信号传输总线的另一端连接所述脉冲信号发生器。

所述的喷头是由分别各通过一个导液管与所述一个以上的液体注入导管的出液口相连的结构相同的一个以上的微腔构成，每一个所述的微腔都包括有压电陶瓷膜，一体形成在压电陶瓷膜内且依次相连通的：蓄水池、进液通道、振动腔、出液通道和喷孔，所述喷孔位于所述压电陶瓷膜的底部，所述进液通道的进液口端与所述的导液管相连，所述压电陶瓷膜上设置有通过开关与所述信号传输总线相连的用于接收脉冲信号的正极和负极。

所述的振动腔高于所述的蓄水池和喷孔。

本发明的不同折射率单液滴发生装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)测量依次相连的进液通道、振动腔、出液通道和喷孔的总长度L；

2)利用实际喷射液体的声速c以及公式t＝4L/c得到脉宽调节周期t，通过脉宽调节周期t将脉宽调节至共振脉宽处；

3)调节脉冲幅值，使脉冲幅值高于产生液滴的最低脉冲幅值；

4)喷射液滴。

本发明的一种不同折射率单液滴发生装置及其控制方法，通过增加多个液体注入导管，可以同时喷射不同折射率单液滴而不需要更换液体。通过在信号传输总线末端与各个微腔连接处设置的开关，可以对各个相互隔离的微腔进行控制。相比其它单液滴发生装置，本发明可以按照需要产生不同折射率的单液滴，并且更加小型化、模块化，操作起来更加方便。

附图说明

图1是本发明不同折射率单液滴发生装置人总体结构示意图；

图2是图1中9的局部放大结构示意图；

图3a是脉宽3us下对应10V的脉冲幅值下蒸馏水液滴喷射过程图，左右两帧间隔1/4500s；

图3b是脉宽3us下对应13V的脉冲幅值下蒸馏水液滴喷射过程图，左右两帧间隔1/4500s；

图4是不同脉冲幅值及宽度下蒸馏水液滴喷射状态图。

图中

1：脉冲信号发生器 2：压电喷头模块

3：信号传输总线 4：喷头

5：底座 6：液体注入导管

7：开关 8：单液滴

9：微腔 10：振动腔

11：喷孔 12：蓄水池

13：压电陶瓷膜 14：正极

15：负极 16：进液通道

17：出液通道 18：导液管

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种不同折射率单液滴发生装置及其控制方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种不同折射率单液滴发生装置，包括脉冲信号发生器1，还设置有压电喷头模块2，所述压电喷头模块2包括有底座5，所述底座5的上部设置有一个以上的用于注入不同液体的液体注入导管6，底座5的下部设置有喷头4，各个喷头4中的液体通道相互隔离。所述喷头4的入液口对应连接一个以上的液体注入导管6的出液口，所述喷头4的滴液口具有对应滴出一个以上的不同液体人液滴的滴孔，所述喷头4的信号输入端连接信号传输总线3的一端，所述信号传输总线3的另一端连接所述脉冲信号发生器1，用以控制各个喷头4的工作与否，进而实现不同折射率的单液滴8喷射。

如图2所示，所述的喷头4是由分别各通过一个导液管18与所述一个以上的液体注入导管6的出液口相连的结构相同的一个以上的微腔9构成，每一个所述的微腔9都包括有压电陶瓷膜13，一体形成在压电陶瓷膜13内且依次相连通的：蓄水池12、进液通道16、振动腔10、出液通道17和喷孔11，所述喷孔11位于所述压电陶瓷膜13的底部，所述进液通道16的进液口端与所述的导液管18相连，所述压电陶瓷膜13上设置有通过开关7与所述信号传输总线3相连的用于接收脉冲信号的正极14和负极15。

所述的振动腔10分别与所述的进液通道16和出液通道17组成门形结构，使所述的振动腔10高于所述的蓄水池12和喷孔11。

本发明的一种不同折射率单液滴发生装置中压电喷头模块2可以通过对现有按需式喷墨打印机喷头进行改装予以实现。改装后的喷墨打印机喷头包括原喷头4、底座5、液体注入导管6组成。原喷头4在Z方向上排列多列喷孔，每列均上百个喷孔，且各列喷孔之间的液体通道相互隔离。为了喷射单液滴8，本发明仅控制每列喷孔中的一个喷孔。喷孔处的微腔9放大后如图2所示。其中，蓄水池12、进液通道16、振动腔10、出液通道17和喷孔11为液体流通区域；正极输入端14及负极输入端15对应压电陶瓷膜的两侧焊点；压电陶瓷膜13可依据脉冲信号在X方向上产生弯曲形变，该形变引发腔内液体振动，最终使喷孔喷出液滴。直接用细导线将单个压电陶瓷膜两侧焊点引出，并保留原喷头其他结构，可以达到控制单个微腔的目的。每列喷孔挑选一个微腔并用导线引出后，形成信号传输总线3，并在信号总线3末端与各个微腔连接处设置一个开关对各个微腔进行控制，从而可以实现不同折射率的液体喷射。

改装按需式喷墨打印机喷头的过程主要包括以下几步：1、清洗疏通喷头；2、拆卸喷头；3、焊接并引出单个压电陶瓷膜；4、封装；5、增加液体注入导管。清洗疏通喷头时可用注射器测试是否所有喷孔均已疏通。焊接并引出单个压电陶瓷膜后应测试所焊压电陶瓷膜是单列中的一个，如果是两个或以上应当重新焊接。封装时要特别注意避免胶水堵塞液体通道，且封装后应当测试是否通畅。喷头经过改装后，保留了其原有的振动腔体结构，并且可以直接控制每列喷孔中的一个压电陶瓷膜，进而实现单孔喷射，且喷射不同折射率的液滴。

改装后的喷头可实现单孔喷射，但要实现单液滴的喷射则需要对驱动脉冲参数加以控制。图3a、图3b所示为脉宽3us下两种不同脉冲幅值对应的液滴喷射情况，图3a对应10V的脉冲幅值，图3b对应13V的脉冲幅值，左右两帧间隔1/4500s。可以看出在不同脉冲参数下，液滴喷射状态会发生较大改变：图3a喷出的为单液滴；图3b喷出的为多液滴。不仅是脉冲幅值，脉冲宽度也会对液滴喷射状态会产生较大影响。本发明综合两者的影响，对应用本发明装置喷射蒸馏水的情况进行观察总结，得到了图4所示的不同脉宽及脉冲幅值下的液滴喷射状态。并总结了一套控制单液滴喷射的方案。

本发明的一种不同折射率单液滴发生装置的控制方法，包括如下步骤：

1)测量依次相连的进液通道16、振动腔10、出液通道17和喷孔11的总长度L；

2)利用实际喷射液体的声速c以及公式t＝4L/c得到脉宽调节周期t，通过脉宽调节周期t将脉宽调节至共振脉宽处，在此处，喷射液滴所需脉冲幅值较低，如图4中A、B、C、D四点所示；

3)调节脉冲幅值，使脉冲幅值高于产生液滴的最低脉冲幅值；

4)喷射液滴。

具体如下：

依据液体振动微腔的相关理论，液滴喷射的速度以及体积随脉宽呈周期性变化。本发明在该理论基础上，指出液滴喷射所需最小脉冲幅值随脉宽呈周期性变化，如图4所示，其中A(3.2us，10V)、B(9.8us，10V)、C(16us，12V)、D(23.2us，15V)四点对应为共振脉宽。理论上的变化周期t＝4L/c，其中L为腔体总长，c为蒸馏水中的声速。腔体总长度的计算应包括振动腔10、喷孔11、以及振动腔10与蓄水池12的连接部分。图4还给出，单液滴喷射状态存在于近邻最小喷射脉冲幅值以上。综上所述，要得到单液滴喷射状态，应先调解脉冲宽度于共振脉宽处，然后调解脉冲幅值使其略大于最低脉冲幅值，即可得到单液滴喷射状态。

上述实施方案只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施,并不能以此限制本发明的保护范围,凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种不同折射率单液滴发生装置，包括脉冲信号发生器(1)，其特征在于，还设置有压电喷头模块(2)，所述压电喷头模块(2)包括有底座(5)，所述底座(5)的上部设置有一个以上的用于注入不同液体的液体注入导管(6)，底座(5)的下部设置有喷头(4)，所述喷头(4)的入液口对应连接一个以上的液体注入导管(6)的出液口，所述喷头(4)的滴液口具有对应滴出一个以上的不同液体人液滴的滴孔，所述喷头(4)的信号输入端连接信号传输总线(3)的一端，所述信号传输总线(3)的另一端连接所述脉冲信号发生器(1)。

2.根据权利要求1所述的一种不同折射率单液滴发生装置，其特征在于，所述的喷头(4)是由分别各通过一个导液管(18)与所述一个以上的液体注入导管(6)的出液口相连的结构相同的一个以上的微腔(9)构成，每一个所述的微腔(9)都包括有压电陶瓷膜(13)，一体形成在压电陶瓷膜(13)内且依次相连通的：蓄水池(12)、进液通道(16)、振动腔(10)、出液通道(17)和喷孔(11)，所述喷孔(11)位于所述压电陶瓷膜(13)的底部，所述进液通道(16)的进液口端与所述的导液管(18)相连，所述压电陶瓷膜(13)上设置有通过开关(7)与所述信号传输总线(3)相连的用于接收脉冲信号的正极(14)和负极(15)。

3.根据权利要求2所述的一种不同折射率单液滴发生装置，其特征在于，所述的振动腔(10)高于所述的蓄水池(12)和喷孔(11)。

4.一种权利要求1所述的不同折射率单液滴发生装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)测量依次相连的进液通道(16)、振动腔(10)、出液通道(17)和喷孔(11)的总长度L；

2)利用实际喷射液体的声速c以及公式t＝4L/c得到脉宽调节周期t，通过脉宽调节周期t将脉宽调节至共振脉宽处；

3)调节脉冲幅值，使脉冲幅值高于产生液滴的最低脉冲幅值；

4)喷射液滴。