CN110207947A - 液滴加速装置及方法 - Google Patents

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李鹏飞
王锁芳
董伟林
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Abstract

本发明公开了一种液滴加速装置及方法，该装置包括从上至下顺序设置的金属毛细管、充电电极和带孔电极板；所述金属毛细管和充电电极通过第一直流稳压电源电连接，所述带孔电极板包括上、下两个平行相对的极板，极板上设有用于通过液滴的小孔，两个极板之间通过第二直流稳压电源相连；该装置还包括用于调节极板间电压大小的调压单元、用于检测液滴进出的两个激光单元以及用于控制极板充放电的控制单元；两个激光单元分别贴近所述带孔电极板的上、下极板设置。本发明的加速装置占用空间小，便于安放布置，同时液滴加速度的可调范围大，液滴加速稳定易控。

Description

液滴加速装置及方法
技术领域
本发明涉及一种液滴动力学实验装置，尤其涉及一种液滴加速装置及液滴加速方法。
背景技术
液滴加速对液滴动力学的研究至关重要。通常科研人员在研究液滴动力学时，液滴依靠重力进行加速，然而由于空气阻力的影响，液滴很难达到科研人员所要求的速度。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种液滴加速装置及其工作方法，能够实现在液滴动力学实验中对液滴的加速，使液滴在一定空间内达到所要求的速度。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种液滴加速装置，该装置包括从上至下顺序设置的金属毛细管、充电电极和带孔电极板；所述金属毛细管和充电电极通过第一直流稳压电源电连接，所述带孔电极板包括上、下两个平行相对的极板，极板上设有用于通过液滴的小孔，两个极板之间通过第二直流稳压电源相连；该装置还包括用于调节极板间电压大小的调压单元、用于检测液滴进出的两个激光单元以及用于控制极板充放电的控制单元；两个激光单元分别贴近所述带孔电极板的上、下极板设置。
其中，所述充电电极是一个金属圆环柱。所述激光单元包括激光发射器和激光接收器，二者相对设置在同一水平面上，分别位于液滴下落路径的两侧，激光接收器连接所述控制单元的控制信号输入端。所述调压单元为滑动变阻器；所述的滑动变阻器一端与所述第一直流稳压电源连接，另一端与极板连接。所述控制单元包括控制器和第一电动开关；所述第二直流稳压电源通过第一电动开关连接极板，控制器接收由所述激光单元发出的控制信号，并控制与其连接的第一电动开关的通断。所述控制单元还包括用于给带孔电极板的下极板放电的第二电动开关，其一端接地，另一端接带孔电极板的下极板，通过所述控制器控制其通断。
本发明还提出了一种采用上述液滴加速装置对液滴进行加速的方法，包括以下步骤：
(1)使用电解质溶液通过金属毛细管形成液滴，金属毛细管和充电电极之间通过连接电源形成电极对使液滴带上电荷；
(2)带电液滴下落经过一对带孔的平行极板，两极板初始不带电，当带电液滴经过上极板时，通过电源给极板加电压从而加速带电液滴；
(3)通过调节两极板的电压来控制带电液滴的加速度；
(4)当带电液滴到达下极板时，控制下极板放电，带电液滴通过下极板的孔射出。
有益效果：相比现有技术，本发明通过滑动变阻器改变两极板电压，获得不同的加速度，进而得到不同的液滴速度；另外，设置控制电路将加速过程控制在极板对之间，避免液滴在接近或者远离极板时受到极板外侧电场的影响，使得液滴速度控制更容易更稳定；最后，现有液滴动力学研究大多采用自由落体的方法使液滴达到一定速度，液滴发生装置和下方的液滴、壁面或液面的距离较远，所占用的空间较大。本发明缩小了液滴加速区域，使得结构紧凑，便于安装布置以及方便观测。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的液滴加速装置如图1所示，该装置包括从上至下顺序设置的金属毛细管1、充电电极3和带孔电极板5。所述金属毛细管1和充电电极3通过第一直流稳压电源4电连接。充电电极3是一个金属圆环柱。通过在充电电极3和毛细管1之间施加电势差来对液滴2充电。当液滴2通过圆环柱时，使得液滴2带一定量的正电电荷。带孔电极板5包括上、下两个平行相对的极板，极板上设有用于通过液滴2的小孔，两个极板通过第二直流稳压电源7充电。与第二直流稳压电源7相连的还有用于调节极板间电压大小的滑动变阻器6。滑动变阻器6一端与所述第一直流稳压电源4连接，另一端与极板连接。用于检测液滴进出的两个激光单元分别贴近所述带孔电极板5的上、下极板设置。激光单元包括激光发射器8和激光接收器9，二者相对设置在同一水平面上，分别位于液滴下落路径的两侧。
该装置还包括用于控制极板充放电的控制单元。控制单元包括控制器10和第一电动开关11；控制器10接收由所述激光单元发出的控制信号，并控制与其连接的第一电动开关11的通断。激光接收器9连接控制单元的控制信号输入端。第二直流稳压电源7和激光单元均与控制单元相连接。控制单元还包括第二电动开关12，用于给带孔电极板5的下极板放电，其一端接地，另一端接带孔电极板5的下极板，通过控制器10控制其通断。
液滴2的直径范围为0.1～4mm。为保证液滴在加速器中不破碎，对于小尺寸液滴，加速度的可调范围大；对于大尺寸液滴，加速度可调范围较小。所要求的速度值需要在实际操作过程中进行调节得到。两个方面可以改变液滴的速度，一是改变液滴带电的电荷量，二是改变两极板的电压。液滴的速度可又动态分析仪或者图像分析仪测试得到。
本发明提出一种液滴加速方法如下：
1)使用电解质溶液通过金属毛细管(1)形成液滴，金属毛细管(1)和充电电极(3)之间通过连接电源形成电极对使液滴(2)带上电荷；
2)激光发射器8和激光接收器9有两对，并分别贴近上、下电极板。带电液滴进入下方的中心带孔电极板5内，上方的激光发射器信号阻断，上方的激光接收器反馈信号到控制器，进而打开电动开关11，关闭电动开关12，电源对两极板进行充电，从而加速带电液滴。
3)可改变滑动变阻器6的电阻调节两极板的电压，进而达到控制液滴加速度的目的。两个极板固定在适当距离。
4)带电液滴加速至下极板时，带电液滴再次阻断激光，下方的激光接收器形成阻断信号，并反馈到控制器，进而关闭电动开关11，并打开电动开关12。加速后的带电液滴通过下极板的中心孔射出。
在该方法中，关键在于加速极板间的电压是在液滴进入极板以后才加上，并当带电液滴穿出下极板时给下极板放电。因为实际的带电极板对外部存在电场，虽然相对于内部的强电场很微弱，但对微小液滴的运动仍会产生影响，改变带电液滴的速度。该方法使液滴只会在极板对之间被加速，在进入极板前和穿出极板后的运动仅收到重力和空气阻力的影响，使得其速度更容易控制。

Claims (6)

1.一种液滴加速装置，其特征在于：该装置包括从上至下顺序设置的金属毛细管(1)、充电电极(3)和带孔电极板(5)；所述金属毛细管(1)和充电电极(3)通过第一直流稳压电源(4)电连接，所述带孔电极板(5)包括上、下两个平行相对的极板，极板上设有用于通过液滴的小孔，两个极板之间通过第二直流稳压电源(7)相连；该装置还包括用于调节极板间电压大小的调压单元、用于检测液滴进出的两个激光单元以及用于控制极板充放电的控制单元；两个激光单元分别贴近所述带孔电极板(5)的上、下极板设置。
2.根据权利要求1所述的液滴加速装置，其特征在于：所述充电电极(3)是一个金属圆环柱。
3.根据权利要求1所述的液滴加速装置，其特征在于：所述激光单元包括激光发射器(8)和激光接收器(9)，二者相对设置在同一水平面上，分别位于液滴下落路径的两侧，激光接收器(9)连接所述控制单元的控制信号输入端。
4.根据权利要求1所述的液滴加速装置，其特征在于：所述调压单元包括滑动变阻器(6)；所述的滑动变阻器(6)一端与所述第一直流稳压电源(4)连接，另一端与极板连接。
5.根据权利要求1所述的液滴加速装置，其特征在于：所述控制单元包括控制器(10)和第一电动开关(11)；所述第二直流稳压电源(7)通过第一电动开关(11)连接极板，控制器(10)接收由所述激光单元发出的控制信号，并控制与其连接的第一电动开关(11)的通断；所述控制单元还包括用于给带孔电极板(5)的下极板放电的第二电动开关(12)，其一端接地，另一端接带孔电极板(5)的下极板，通过所述控制器(10)控制其通断。
6.一种液滴加速方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用电解质溶液通过金属毛细管(1)形成液滴，金属毛细管(1)和充电电极(3)之间通过连接电源形成电极对使液滴(2)带上电荷；
(2)带电液滴下落经过一对带孔的平行极板，两极板初始不带电，当带电液滴经过上极板时，通过电源给极板加电压从而加速带电液滴；
(3)通过调节两极板的电压来控制带电液滴的加速度；
(4)当带电液滴到达下极板时，控制下极板放电，带电液滴通过下极板的孔射出。
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