CN113108834A - 基于电流测量和光学颗粒计数的静电喷射状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于电流测量和光学颗粒计数的静电喷射状态检测方法，基于EHD方法搭建微液滴产生装置，包括稳恒流量的供液系统、金属喷嘴、高压电源、收集电极和喷射状态检测模块。喷射状态检测模块包括收集电极上感应电流放大器的和光学颗粒计数器。感应电流的脉冲信号表明液面伸长形成“泰勒锥”而后回缩的过程；光学颗粒计数器的脉冲输出表明实际产生了一个液滴。通过结合这两个信号获得微液滴喷射过程相当完备而可靠的信息。这种测量方法可以低成本进行，并且对于测量的数据可以实现实时处理，有利于实现EHD微液滴喷射的实时监控；相比于单纯依靠感应电流测量的喷射状态检测方法，可以用于EHD微液滴喷射系统的监测和控制。

Description

基于电流测量和光学颗粒计数的静电喷射状态检测方法

技术领域

本发明涉及一种电流体动力学(EHD)微液滴喷射(即静电喷射)状态的检测方法和装置，属于微液滴喷射状态检测技术领域，特别是涉及一种基于感应电流测量以及基于散射光测量的光学颗粒计数从而获得微液滴喷射状态信息的方法和具体实现。

背景技术

微液滴喷射技术除了用于传统喷墨打印外，还广泛应用于生物医学、电子印刷、3D制造等新兴领域。传统的微液滴产生方法通常采用热驱动或压电驱动，早已在传统喷墨打印中得到了广泛的应用。近年来一些非常规的微液滴喷射方法取得了很大的进展，以气动微液滴喷射为例，它在电子封装、金属增材制造中得到了广泛的应用。气动喷射与前述传统的热驱动或压电驱动等方法的共同特点是：液体通过喷嘴被挤出形成液带，液带断裂形成液滴。这样产生的液滴直径通常大于喷嘴直径，极大地限制了打印分辨率。最直接的解决方案是减小喷嘴内径。但是，减小喷嘴内径这增加喷嘴堵塞的风险，同时微液滴喷射需要更强大的驱动力才能实现。电流体动力学(EHD)微液滴喷射方法是在喷嘴和收集电极之间施加高电压，在喷嘴处引入强电场，电场力牵拉液体断裂形成微液滴。dripping模式是EHD微液滴喷射模式中最稳定，最容易控制的一种。这种喷射模式的显著特征是：液面在电场力作用下延伸到最大长度，形成一个圆锥体，称为“泰勒锥”，泰勒锥末端的液体断裂形成液滴，然后液面回缩。EHD方法可以产生比喷嘴小的液滴，不仅提高打印分辨率，而且大大降低喷嘴堵塞的风险。

通常情况下，EHD微液滴喷射需要稳定流量的液体供应。这时，电压成为喷射状态最主要的决定因素。研究发现，即使是dripping模式，EHD微液滴喷射随电压的变化可能表现出不同的喷射状态。检测微液滴喷射状态最直接的方法是通过高速摄像和图像处理。但是这种方法存在缺点。一方面，高速相机十分昂贵；另一方面，处理大量图像非常耗时，远远达不到实时监测喷射状态的目的。而且EHD微液滴喷射方法可以产生直径几十微米甚至更小的微滴，成像需要相当大的放大倍数，视场就会很小，所以清晰和稳定的成像并不容易，因为一些液滴可能偏离垂直下落轨迹。此外，成像是通过背光配置来完成的，将喷嘴放置在相机和光源之间，对于非常小的液滴，液滴与背景的对比度很差，这使得提取液滴边缘变得困难。

另一种检测EHD微液滴喷射状态的常用方法是测量收集电极处的感应电流。如图1所示，由于液面形变伴随充放电现象，收集电极处的感应电荷发生变化。因此，收集电极上的感应电流可以一定程度反映液面形变。正如在发明内容中还要具体介绍的那样：在dripping模式下，喷嘴处液体在电场力作用下伸长形成“泰勒锥”。无论“泰勒锥”能否断裂形成微液滴，液面都会在表面张力的作用下回缩。这个过程表现为一个感应电流脉冲。所以，单纯通过感应电流测量无法可靠判断微液滴是否被实际喷射出来。

本专利申请提出一种基于感应电流测量和光学颗粒计数的EHD微液滴喷射状态检测方法，能够可靠区分dripping模式下三种常见的喷射状态。相比高速摄像的检测方法，本申请提出的方法实现成本低，而且更加容易实现喷射状态的实时检测。

发明内容

电流体动力学(EHD)微液滴喷射是重要的微量液体样品施加技术。具有广阔的应用前景。但是EHD微液滴喷射状态极大地依赖喷射控制参数。其中喷嘴处施加的电压是最决定性的控制参数。本专利申请仅仅针对EHD喷射中最稳定，也最任意监控的dripping喷射模式。在这种喷射模式下，常见的喷射状态是：在电压较低的情况下，液面在电场力作用下伸长形成泰勒锥，“泰勒锥”末端断裂产生微液滴。而后液面回缩。在持续供液下喷嘴处液体体积积累，在电场力作用下发生下一次喷射。这种喷射状态频率低，但喷射具有较好的周期性。这种喷射状态标记为状态A。在较高的电压下，液面在电场力和液体表面张力的作用下发生轴向振荡。通常液面振荡频率显著高于前述状态A的喷射频率。液面振荡形成泰勒锥，但是并不断裂。在持续供液下，液面经历若干次振荡后才喷射出一个微液滴。这种喷射状态标记为状态B。在更高的电压下，液面振荡频率与状态B中振荡频率类似；所不同的是，每次振荡形成的“泰勒锥”都会发生断裂而产生一个微液滴。这种喷射状态标记为状态C。液面的轴向振荡频率的量级可以通过公式(1)估计，其中r和R分别是喷嘴内外半径，σ是表面张力系数，ρ是流体密度。

EHD微液滴喷射状态的传统检测技术面临如下困难。基于高速相机和图像处理的方法可以很好地区分上述三种不同的喷射状态，但是所需设备昂贵，而且大量图像数据无法实时处理。单纯基于收集电极感应电流测量的喷射状态检测方法也面临困难。具体表现在：每次液面振荡都会测得电流脉冲，单纯的I_C(t)测量无法有效判断“泰勒锥”是否发生断裂形成微液滴，所以不能可靠区分前述的喷射状态B和状态C。针对这些困难，本专利申请提出一种基于感应电流测量和光学颗粒计数的EHD微液滴喷射状态的检测方法。它可以可靠区分上述三种不同的喷射状态。相比高速摄像和图像处理方法，本申请提出方法实现成本低，并易于实现实时的喷射状态检测。

本发明的目的是这样实现的：基于EHD方法搭建微液滴产生装置。整个装置由五部分组成：稳恒流量的供液系统、金属喷嘴、高压电源、收集电极和喷射状态检测模块。喷射状态检测模块包括收集电极上感应电流放大器的和光学颗粒计数器。

稳恒流量的供液系统可以控制流速，为微液滴喷射提供稳定的液体补给。该系统由注射泵和注射器两部分组成。注射器通过一根软胶皮管与金属喷嘴相连。高压电源用于提供EHD微液滴喷射所需要的强电场。高压电源的“正极”连接在金属喷嘴上，负极连接在整个系统共用的“接地极”上。在金属喷嘴的正下方放置收集电极，收集电极通过感应电流放大器与“接地极”连接。收集电极电位接近为“零”。收集电极是一个内装有导电液体的培养皿。一方面，收集电极用于接收从正上方金属喷嘴喷射出来的微液滴，另一方面，收集电极接近处于“零”电位，与连接高压电源“正极”的金属喷嘴共同产生强电场。供液系统、金属喷嘴、高压电源和收集电极是EHD微液滴喷射装置的常规配制，并不在本专利申请的要求范围内。

收集电极上感应电流放大器被用于检测收集电极上的感应电流I_C。在微液滴喷射过程中，随着液面的形变，液面上的电荷分布发生变化，收集电极上的感应电荷发生变化，从而在收集电极上产生感应电流。收集电极处的感应电流I_C通常在nA至μA量级，需要将微弱的感应电流进行放大。收集电极上的感应电流可以利用常规电流放大器电路检测，电流放大器电路的设计方法不在本专利申请的要求范围之内。一个电流放大器电路设计将在具体实施例子中介绍。简要的描述：让微弱的感应电流经过检测电阻转换成微弱的电压，微弱的电压由仪表放大器测量并放大。I_C反映出液滴滴落过程中液面的形变过程。正如前文介绍的，对应每次液面伸长形成泰勒锥，随后回缩的过程，收集电极上的感应电流放大器都会输出一个脉冲。

光学颗粒计数器广泛应用于大气中气溶胶悬浮物的检测、以及生物细胞检测与分选等领域。光学颗粒计数器的设计也不在本专利申请的要求范围内。一种高灵敏光学颗粒计数器设计将在具体实施例子中介绍。简要地描述：光学颗粒计数器由激光器、离轴透镜、光电倍增管、光阱构成。激光器用于产生高强度的激光。用一束激光照射液滴下落的路径，当液滴穿过激光束的时候，发生散射。离轴透镜的设计是在成像透镜偏离中心的位置上钻孔。散射光被离轴透镜收集并汇聚到光电倍增管的探测窗；同时高强度入射激光穿过离轴透镜上的钻孔进入光阱，在空间上将散射光和入射光分离。由于光电倍增管极其灵敏，光学颗粒计数器可以探测的极小尺寸液滴微弱的散射光。通过光学颗粒计数器对微滴的散射光进行测量，光电倍增管给出一个输出脉冲，就表明实际产生一个微液滴。

实验操作方法如下：

(1)设置供液系统的流速，为微液滴喷射提供稳恒流量的液体补给。将高压电源的“正极”连接在金属喷嘴上，负极连接在整个系统共用的“接地极”上。启动高压电源，施加电压，微液滴从金属喷嘴处喷射出来。收集电极在金属喷嘴的正下方接收液滴。调节电压，使EHD微液滴喷射处于不同的喷射状态。

(2)使用感应电流放大器检测收集电极上的感应电流。将收集电极通过导线连接至感应电流放大器的输入端，感应电流信号被电流放大器测量并放大，感应电流放大器的输出端连接示波器。对应每次液面伸长形成泰勒锥，随后回缩的过程，在示波器上感应电流信号I_C都会显示出一个脉冲。

(3)与(2)同时进行。使用光学颗粒计数器对液滴的散射光进行测量。每当有一个液滴实际产生，光学颗粒计数器的输出信号V就会给出一个脉冲。

(4)对照感应电流信号I_C和光学颗粒计数器的输出信号V随时间变化的情况，分析EHD微液滴喷射的状态。

通过对照感应电流I_C和光学颗粒计数器输出信号V随时间变化情况。可以可靠区分前述EHD喷射的三种常见状态。如图所示。图5中，每个I_C脉冲都对应V的脉冲。且I_C脉冲的出现频率显著低于经验公式(1)给出的液面振荡频率。图6中，I_C的脉冲出现频率显著高于图5中的情况，而且从量级上符合经验公式(1)给出的液面振荡频率。同时，并非每个I_C脉冲都对应V的脉冲。图7中，I_C的脉冲出现频率与图6的情况类似，并且每个I_C脉冲都对应V的脉冲。我们推断图5、6、7的测量结果分别对应前述A、B、C三种EHD微液滴喷射状态。

概况地：本专利申请提出基于感应电流测量和光学颗粒计数的EHD微液滴喷射的检测方法。感应电流的脉冲信号表明液面伸长形成“泰勒锥”而后回缩的过程；光学颗粒计数器的脉冲输出表明实际产生了一个液滴。通过结合这两个信号来看，可以获得微液滴喷射过程相当完备而可靠的信息。这种测量方法相比于传统的高速摄像和图像处理，可以以低得多的成本进行，并且对于测量的数据可以实现实时处理，有利于实现EHD微液滴喷射的实时监控；相比于单纯依靠感应电流测量的喷射状态检测方法，本专利申请提出的检测方法得到的结果更加可靠。本方法可以用于EHD微液滴喷射系统的监测和控制。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的描述。

图1是本发明的EHD微液滴喷射过程示意图。

图2是本发明的EHD微液滴喷射系统示意图。

图3是具体实施例子中采用的收集电极感应电流放大器示意图。

图4是具体实施例子中采用的光学颗粒计数器示意图。

图5喷射状态A展现出的收集电极处的感应电流I_C，光学颗粒计数器的输出信号V。

图6喷射状态B展现出的收集电极处的感应电流I_C，光学颗粒计数器的输出信号V。

图7喷射状态C展现出的收集电极处的感应电流I_C，光学颗粒计数器的输出信号V。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图2所示，基于EHD方法的微液滴产生器。整个仪器由五部分组成：供液系统、喷嘴、收集电极、高压电源和喷射状态检测模块。喷射状态检测模块包括用于测量收集电极上感应电流的电流放大器和基于散射光测量的光学颗粒计数器。

供液系统主要由一个注射泵和5ml注射器构成。喷射的液体为1wt％海藻酸钠水溶液，液体流速为200μL/h。注射器通过一根软胶皮管与内径为0.13mm、外径为0.3mm的不锈钢喷嘴相连。为了收集微液滴，在喷嘴下方20mm处放置一个培养皿(直径90mm)。培养皿内有一定量的导电液体，作为收集电极。收集电极通过低输入电阻的电流放大器连接到整个喷射系统的接地极上。

可调节的高电压由直流高压电源(型号：DW-P503-1ACDF，东文高压电源，天津)提供，输出电压范围0-50kV，最大输出电流可达1mA。实验中，正极与不锈钢喷嘴相连，负极与整个喷射系统的接地极相连。

收集电极处的感应电流I_C由电流放大器检测，如图3所示：感应电流I_C流过电阻R_S＝500kΩ，R_S上的电压降由仪表放大器(型号：INA110，美国德州仪器公司)测量。当INA110的内部增益设为A_R＝10时，输入电流与输出电压的转换比为A_R×R_S＝5×10⁶。

一个简单而具有高灵敏度的光学颗粒计数器设计如图4所示，采用波长为473nm的蓝色固体激光器的单模光纤输出(TEM00模式)。准直后的激光束光斑直径约为2mm，光功率约为20mW。激光束垂直于成像透镜(直径D＝25.4mm,焦距f＝50mm)，对准并与透镜中心偏移一小段距离(4.5mm)。在透镜上钻了一个小孔(直径5mm)，允许激光束通过，然后进入光束吸收器(光阱)。喷射出的微液滴的轨迹在透镜焦平面的前面与激光束相交。当一个微液滴进入激光束时，会发生散射，散射光主要是小角度散射。这种设计使得大部分散射光被透镜收集，并聚焦到钻孔另一侧与透镜中心偏离轴的一点上，实现了聚焦的散射光与激光束的分离。为了探测散射光，使用了光电倍增管(PMT)模块(型号：CH253，滨松光子，北京)。光电倍增管是高灵敏光探测器，而且光学设计优化了对小角度散射光的收集。因此这个光学颗粒计数器可以检测的极小尺寸液滴。光电倍增管每得到一个输出脉冲，就表明有一个微液滴实际产生。

在较低电压下，例如在5.2kV下的喷射过程的检测结果类似图5所示情况。每个I_C电流脉冲对应光学颗粒计数器的一个脉冲。电流脉冲的出现频率约为5Hz，显著低于液面振荡的频率范围。说明微滴喷射处于状态A。在中等电压下，例如在5.5kV，检测结果类似图6的情况。I_C的脉冲出现频率240Hz，显著高于状态A，而从量级上与经验公式(1)的计算结果660Hz更加符合。并不是每次I_C脉冲都对应光学颗粒计数器的输出脉冲。光学颗粒计数器的输出脉冲的出现频率约为50Hz，表明微滴实际喷射频率约50Hz。说明微滴喷射处于状态B。在更高的电压下，例如在5.7kV，检测结果类似图7的情况。I_C脉冲的出现频率约为240Hz，与状态B类似，明显高于状态A中I_C脉冲的出现频率。同时，I_C的每次脉冲都对应光学颗粒计数器的输出脉冲。说明微滴喷射处于状态C。总的来说，每次弯月面形成“泰勒锥”后回缩，I_C都会出现一个脉冲；当每个微液滴被喷射出来时，光学颗粒计数器的输出显示一个脉冲。通过结合这两套信息，可以获得喷射过程的基本信息。

Claims (5)

1.基于电流测量和光学颗粒计数的静电喷射状态检测装置，其特征在于：整个装置由五部分组成：稳恒流量的供液系统、金属喷嘴、高压电源、收集电极和喷射状态检测模块；喷射状态检测模块包括收集电极上感应电流放大器的和光学颗粒计数器；

稳恒流量的供液系统控制流速，为微液滴喷射提供稳定的液体补给；稳恒流量的供液系统由注射泵和注射器两部分组成；注射器通过一根软胶皮管与金属喷嘴相连；高压电源用于提供EHD微液滴喷射所需要的强电场；高压电源的正极连接在金属喷嘴上，负极连接在整个系统共用的接地极上；在金属喷嘴的正下方放置收集电极，收集电极通过感应电流放大器与接地极连接；收集电极电位接近为零；收集电极是一个内装有导电液体的培养皿。

2.根据权利要求1所述的基于电流测量和光学颗粒计数的静电喷射状态检测装置，其特征在于：收集电极用于接收从正上方金属喷嘴喷射出来的微液滴；收集电极接近处于零电位，与连接高压电源正极的金属喷嘴共同产生强电场。

3.根据权利要求1所述的基于电流测量和光学颗粒计数的静电喷射状态检测装置，其特征在于：收集电极上感应电流放大器被用于检测收集电极上的感应电流I_C；在微液滴喷射过程中，随着液面的形变，液面上的电荷分布发生变化，收集电极上的感应电荷发生变化，从而在收集电极上产生感应电流；收集电极处的感应电流I_C通常在nA至μA量级，需要将微弱的感应电流进行放大；收集电极上的感应电流利用电流放大器电路检测，让微弱的感应电流经过检测电阻转换成微弱的电压，微弱的电压由仪表放大器测量并放大；I_C反映出液滴滴落过程中液面的形变过程；对应每次液面伸长形成泰勒锥，随后回缩的过程，收集电极上的感应电流放大器都会输出一个脉冲。

4.根据权利要求1所述的基于电流测量和光学颗粒计数的静电喷射状态检测装置，其特征在于：光学颗粒计数器由激光器、离轴透镜、光电倍增管、光阱构成；激光器用于产生高强度的激光；用一束激光照射液滴下落的路径，当液滴穿过激光束的时候，发生散射；离轴透镜的设计是在成像透镜偏离中心的位置上钻孔；散射光被离轴透镜收集并汇聚到光电倍增管的探测窗；同时高强度入射激光穿过离轴透镜上的钻孔进入光阱，在空间上将散射光和入射光分离；由于光电倍增管极其灵敏，光学颗粒计数器探测的极小尺寸液滴微弱的散射光；通过光学颗粒计数器对微滴的散射光进行测量，光电倍增管给出一个输出脉冲，就表明实际产生一个微液滴。

5.利用权利要求1所述装置进行的基于电流测量和光学颗粒计数的静电喷射状态检测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，

(1)设置供液系统的流速，为微液滴喷射提供稳恒流量的液体补给；将高压电源的“正极”连接在金属喷嘴上，负极连接在整个系统共用的接地极上；启动高压电源，施加电压，微液滴从金属喷嘴处喷射出来；收集电极在金属喷嘴的正下方接收液滴；调节电压，使EHD微液滴喷射处于不同的喷射状态；

(2)使用感应电流放大器检测收集电极上的感应电流；将收集电极通过导线连接至感应电流放大器的输入端，感应电流信号被电流放大器测量并放大，感应电流放大器的输出端连接示波器；对应每次液面伸长形成泰勒锥，随后回缩的过程，在示波器上感应电流信号I_C都会显示出一个脉冲；

(3)与(2)同时进行；使用光学颗粒计数器对液滴的散射光进行测量；每当有一个液滴实际产生，光学颗粒计数器的输出信号V就会给出一个脉冲；

(4)对照感应电流信号I_C和光学颗粒计数器的输出信号V随时间变化的情况，分析EHD微液滴喷射的状态。

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