CN113324580A

CN113324580A - 基于感应电流和机器视觉的静电微滴喷射状态检测方法

Info

Publication number: CN113324580A
Application number: CN202110365665.2A
Authority: CN
Inventors: 王志海; 杨宝俊
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2021-04-06
Filing date: 2021-04-06
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2041-04-06
Also published as: CN113324580B

Abstract

本发明公开了基于感应电流和机器视觉的静电微滴喷射状态检测方法，实现该方法的装置包括电流体动力学微液滴喷射装置和喷射状态检测模块。电流体动力学微液滴喷射装置由四部分组成：供液系统、喷嘴、收集装置和高压电源。喷射状态检测模块包括机器视觉检测模块以及感应电流检测模块。在计算V时仅仅计入与喷嘴连接的液体体积。工业相机的拍摄帧率只要达到液面振荡频率的2‑3倍以上，就能有效获取喷射状态C中由于微液滴喷射导致的喷嘴处液体体积V值跳变。从而有效区分B、C两种EHD微液滴喷射状态。相比常规用于检测EHD微液滴喷射状态的超高帧率工业相机，本方法对拍摄设备的要求显著降低，从而极大降低检测模块的制作成本。

Description

基于感应电流和机器视觉的静电微滴喷射状态检测方法

技术领域

本发明涉及一种电流体动力学微液滴喷射(也称为“静电微液滴喷射”)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和机器视觉方法获得微液滴喷射状态信息的技术方案。

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、电子封装、柔性电路打印、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，已经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也取得了长足的进展。例如气动式微液滴喷射广泛地应用于电子封装和金属3D打印等领域。气动式与热驱动、压电驱动等方法的共同特点是：液体经过喷嘴挤出形成液带，液带在不稳定因素下断裂形成液滴。这样形成的微液滴，其直径通常显著大于喷嘴直径，这极大地限制了打印分辨率。尽管有人提出了一些技术，通过更复杂的驱动脉冲来减小液滴尺寸但最直接的解决方案仍然是减小喷嘴内径。矛盾的是：减小喷嘴内径这会增加喷嘴堵塞的风险，同时对驱动幅值的要求显著增加。喷射过程中，流体中的剪切应力也会显著增加。对于一些应用，例如活细胞喷射，过大的流体剪切应力会产生负面效应。电流体动力学(EHD)微液滴喷射也是一种常见的非常规微液滴喷射技术。EHD喷射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。在强电场力作用下，喷嘴处液面被拉伸形变，成为一个圆锥体，称为“泰勒锥”，泰勒锥末端的液体断裂而形成液滴。如图1所示。EHD的方法可以产生比喷嘴小的液滴，在提高打印分辨率的同时，极大降低喷嘴发生堵塞的风险。

通常情况下，向喷嘴提供稳定流量的液体。这种稳定供液可以通过注射泵、稳定液压差形成的泊肃叶流动等技术方案实现。研究发现，EHD微液滴喷射随电压的变化可能表现出不同的行为。研究微液滴喷射状态最直接的方法是通过超高速摄像和图像处理。但是这种方法需要价值昂贵的超高速相机设备，极大增加了喷射系统的建造成本。而且EHD微液滴喷射方法通常用于产生直径几十微米甚至更小的微液滴，成像需要相当大的放大倍数，视场就会很小。这会导致几个不利的后果。首先，喷射的微液滴会在极短时间内离开视场范围。为了有效捕捉微液滴产生的事件，需要更高的拍摄帧率。第二个不利后果是：增加放大倍数导致成像景深小，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。第三：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。

另一种研究EHD微液滴喷射过程的常用方法是测量收集电极处的感应电流。对于理想的EHD微液滴喷射过程，弯月面延伸到最大长度，断裂喷出液滴，液面随后缩回。由于液面形变导致液面与收集电极之间的电容发生改变，喷射过程中液面形变会伴随充放电过程，收集电极处的感应电荷发生变化。因此，测量收集电极上的感应电流可以用于检测EHD微液滴喷射的过程。通常每次液面伸长而后回缩的过程都会对应感应电流出现一个脉冲。然而，喷嘴处的液体可以在强电场中仅仅作轴向振荡，而不发生断裂，也就没有任何液滴被喷射出来。这种情况下，感应电流也会呈现出脉冲特性。所以，仅仅凭借感应电流的脉冲信号并不能可靠判定微液滴是否产生。

此外也有基于散射光测量的微液滴检测技术，它们被广泛应用于生物细胞检测与分选等领域。但是，散射光测量需要暗室条件，且容易受到杂散光的影响。这会增加实验装置操作的难度。

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。喷嘴与收集电极之间施加的电压是最主要的控制参数。最为常见的情况是：在电压较低的情况下，液面在电场力作用下形变形成泰勒锥，泰勒锥末端断裂形成微液滴。而后液面回缩。在持续供液下喷嘴处液体体积继续积累，并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。通常振荡频率显著高于前述状态A的喷射频率。液面每次振荡都会形成泰勒锥，但是并不总伴随微液滴的喷射。液面在经历若干次振荡后才断裂喷射出一个微液滴。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，每次振荡形成泰勒锥，泰勒锥末端都会发生断裂喷射出微液滴。这种喷射状态标记为状态C。状态C中的喷射频率显著高于状态A中的喷射频率。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。

检测EHD微液滴喷射状态对于实现理想的喷射状态、保持喷射状态稳定具有重要意义。EHD微液滴喷射状态的传统检测技术面临如下困难。其中：基于高速相机的方法可以较好地区分上述三种不同的喷射状态，但是所需设备昂贵。单纯基于收集电极感应电流测量的方法，每次液面振荡都会测得电流脉冲。无法有效判断泰勒锥形成后液面是否断裂形成微液滴。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，本发明申请提出一种基于感应电流测量和中等帧率工业相机拍摄的EHD微液滴喷射的检测方法。它可以有效区分上述三种不同的喷射状态。相比超高速摄像，本专利申请提出的方法可以较低成本实现。

本专利申请中，EHD微液滴喷射状态检测是这样实现的：

基于EHD方法的微液滴产生装置如图2所示。整个装置由两个部分组成：电流体动力学微液滴喷射装置和喷射状态检测模块。

电流体动力学微液滴喷射装置由四部分组成：供液系统、喷嘴、收集装置和高压电源。供液系统是由储液仓和U型管构成，储液仓底部连接U型管的一端，U型管的另外一端连接喷嘴，此供液系统通过调节储液仓的位置或者储液仓的液面来调节供液速度。在喷嘴处连接高压电源的正极，高压电源的负极连接光学平台。接收装置在喷嘴的正下方，用于收集喷射出的微液滴。当施加一定的高电压，在合适的供液速度下，喷嘴处的液体就会在电场力的作用下进行喷射出连续的微液滴，这样的喷射过程也被称为滴注模式(dripping mode)。

喷射状态检测模块包括机器视觉检测模块以及感应电流检测模块。机器视觉检测模块包含一个(中等帧率)工业相机以及LED灯。调节LED灯和工业相机以及喷嘴，使三者在同一直线上，在PC上观测相机的成像，收集喷嘴处液面处的变化过程的图片。感应电流模块包括用于测量收集电极上感应电流的电流放大器、金属探针以及电子示波器。在测量感应电流的时候，一般会在接收装置中放入少量的实验中的溶液(通常为导电溶液)，把金属探针放入接收装置中溶液中，在高压电的作用下，包含电荷的微液滴喷射到接收装置中，在接收装置中的溶液会感应出微小的电流，一般为微安或纳安级数量级。探针连接一个电流放大器，对待测的小电流进行放大，然后通过电子示波器进行观测以及记录。

在本发明中主要使用的喷射状态检测方法是视觉检测和感应电流检测，下面分别介绍两种方法：

机器视觉检测方法：是通过工业相机采集喷嘴处的图像。拍照采用传统的背光照明方法，使得喷嘴处于照明光源与工业相机之间。经过机器视觉软件处理，得到液面的轮廓。具体的图像处理过程在后面的实施例子中详述。由于EHD喷射过程中，液面是轴对称的(我们的发明申请也只针对这种情况)，可以根据液面轮廓计算出喷嘴处液体的体积V。具体的体积计算方法在实施例子中详述。值得强调的是，我们仅仅计入与喷嘴保持联通的液体的体积。如果图像中同时存在产生的微液滴。微液滴的体积并不包含在V中。由于喷嘴处的液体几何尺寸显著大于微液滴的直径。在适当的光照条件下，边缘计算的精度和可靠性优于对微小液滴的边缘计算。

感应电流检测方法：收集电极处的感应电流I_C由常规电流放大器检测。随着喷嘴处液面的形变和断裂、微液滴下落，收集电极上的感应电荷发生变化，从而产生感应电流。感应电流I_C由反映出液面的形变过程。具体地，每次液面伸长成为泰勒锥然后回缩的过程，电流放大器的输出信号都会出现一个脉冲峰值。电流放大器可以采用常规微安或纳安级电流放大电路，它的设计不在本专利申请要求范围内。一个电流放大电路在具体实施例子中有介绍。

通过对比感应电流I_C和喷嘴处液体体积V随时间变化情况。可以可靠区分前述EHD喷射的三种常见喷射状态，如图5所示。图5(a)中，每个I_C脉冲都对应V的跳变。且I_C脉冲周期显著低于公式(1)给出的数值。图5(b)中，I_C的脉冲频率显著高于图5(a)中的情况，基本符合公式(1)的数值。而且并非每个I_C脉冲都对应V的跳变。图5(c)中，I_C的脉冲频率与图5(b)的情况类似，且每个I_C脉冲都对应V的跳变。状态A和C的区别还体现在：对于状态A，I_C的脉冲间有明显的平缓区间，而对于状态C，I_C的脉冲宽度接近喷射周期的一半。我们推断图5的(a)、(b)、(c)的测量结果分别对应前述A、B、C三种EHD微液滴喷射状态。

从应用的角度，喷射状态B是不稳定的，微液滴体积难以控制，且喷射周期性差，不适合实际应用。本专利申请提出的方法可以区分状态B与状态A、C。除了有效判别上述A、B、C三种EHD微液滴喷射状态，本专利申请的方法还可以更加精确地计算出每次喷射的微液滴的体积。从而提供了一种评估A、C两种喷射状态微液滴体积一致性和稳定性的依据。

如前面强调的，本申请提出的方法在计算V时仅仅计入与喷嘴连接的液体体积。工业相机的拍摄帧率只要达到液面振荡频率的2-3倍以上，就能有效获取喷射状态C中由于微液滴喷射导致的喷嘴处液体体积V值跳变。从而有效区分B、C两种EHD微液滴喷射状态。相比常规用于检测EHD微液滴喷射状态的超高帧率工业相机(通常工作在5000Hz以上的帧率)，本专利申请提出的方法对拍摄设备的要求显著降低，从而极大降低检测模块的制作成本。

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电流体动力学(EHD)微液滴喷射过程、液面和收集电极电荷分布示意图。

图2是本发明的EHD微液滴喷射系统示意图。

图3是对喷嘴处照片进行图像处理的主要步骤、液面腰围随轴向坐标。

图4是收集电极处的感应电流的测量电路实例。

图5喷射状态A、B、C对应的典型的感应电流I_C和喷嘴处液体体积V随时间变化曲线。(a)、(b)、(c)分别为对应的测量结果

具体实施方式

下面结合附图通过具体的实验对本发明做更详细的描述。

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。其中喷射状态检测模块包括一个(中等帧率)摄像机和用于测量收集电极上感应电流的电流放大器。

供液系统主要是一个注射泵，使用5ml注射器，喷射的溶液为1wt％海藻酸钠水溶液，实验中的液体流速为200μL/h。注射泵与内径为0.25mm、外径为0.51mm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)，培养皿内盛有导电液体，作为收集极板，收集极板通过一个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(东文高压电源，型号DW-P503-1ACDF)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。

我们的图像采集是基于onsemi的CMOS图像传感器，拍摄帧率为815帧/秒。相机产生原始图像由图像处理软件包(用MATLAB编写的OpenCV)顺序处理。如图3所示：为了提高图像处理速度，定义了一个比原始图像更小的感兴趣区域(ROI)。其次是形态学闭合运算以降低噪声，并自动阈值分割以提高对比度。基于Sobel边缘检测算子定义与喷嘴联通的液面轮廓，提取其基本几何信息。

随着液面的形变，收集电极上的感应电荷发生变化，从而产生感应电流。收集电极处的感应电流I_C由电流放大器检测，如图4所示，I_C流过电阻R_S＝500kΩ，R_S上的电压降由仪表放大器(INA110 from Texas Instruments)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。

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(a)所示情况。每个I_C电流脉冲对应V的一次跳变。且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。说明微液滴喷射处于状态A。在中等电压下，例如在5.5kV，检测结果类似图5(b)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V的跳变。微液滴实际喷射频率约50Hz。说明微液滴喷射处于状态B。在更高的电压下，例如在5.7kV，检测结果类似图5(c)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V的跳变。说明微液滴喷射处于状态C。

本发明提供了一种EHD微液滴喷射装置喷射状态的检测模块设计和检测方法。检测模块包括一个中等帧率的工业相机和一个收集电极处感应电流的放大电路。总的来说，每次喷嘴处液面形成泰勒锥后回缩，无论是否喷射出一个微液滴，I_C都会出现一个脉冲；如果有微液滴喷射，则V会出现明显的跳变。反之如果没有微液滴喷射则V随时间继续线性增加。结合I_C和V的信息，可以可靠区分前述的三种EHD喷射状态A、B、C。这种方法也可以用于评估产生的液滴的几何尺寸的一致性和稳定性。这种技术可以用于EHD微液滴喷射的监测和控制。

Claims

1.基于感应电流和机器视觉的静电微滴喷射状态检测装置，其特征在于：包括电流体动力学微液滴喷射装置和喷射状态检测模块；

电流体动力学微液滴喷射装置由四部分组成：供液系统、喷嘴、收集装置和高压电源；供液系统是由储液仓和U型管构成，储液仓底部连接U型管的一端，U型管的另外一端连接喷嘴，此供液系统通过调节储液仓的位置或者储液仓的液面来调节供液速度；在喷嘴处连接高压电源的正极，高压电源的负极连接光学平台；接收装置在喷嘴的正下方，用于收集喷射出的微液滴；

喷射状态检测模块包括机器视觉检测模块以及感应电流检测模块；机器视觉检测模块包含一个工业相机以及LED灯；调节LED灯和工业相机以及喷嘴，使三者在同一直线上，在PC上观测相机的成像，收集喷嘴处液面处的变化过程的图片；感应电流模块包括用于测量收集电极上感应电流的电流放大器、金属探针以及电子示波器。

2.根据权利要求1所述的基于感应电流和机器视觉的静电微滴喷射状态检测装置，其特征在于：当施加一定的高电压，在合适的供液速度下，喷嘴处的液体就会在电场力的作用下进行喷射出连续的微液滴即滴注模式。

3.根据权利要求1所述的基于感应电流和机器视觉的静电微滴喷射状态检测装置，其特征在于：在测量感应电流的时候，在接收装置中放入少量的实验中的溶液，把金属探针放入接收装置中溶液中，在高压电的作用下，包含电荷的微液滴喷射到接收装置中，在接收装置中的溶液会感应出微安或纳安级数量级电流；探针连接一个电流放大器，对待测的小电流进行放大，然后通过电子示波器进行观测以及记录。

4.利用权利要求1所述装置进行的基于感应电流和机器视觉的静电微滴喷射状态检测方法，其特征在于：

机器视觉检测方法：通过工业相机采集喷嘴处的图像；拍照采用传统的背光照明方法，使得喷嘴处于照明光源与工业相机之间；经过机器视觉软件处理，得到液面的轮廓；由于EHD喷射过程中，液面是轴对称的，根据液面轮廓计算出喷嘴处液体的体积V，计入与喷嘴保持联通的液体的体积；如果图像中同时存在产生的微液滴；微液滴的体积并不包含在V中；由于喷嘴处的液体几何尺寸大于微液滴的直径；在光照条件下，边缘计算的精度和可靠性优于对微小液滴的边缘计算。

5.用权利要求1所述装置进行的基于感应电流和机器视觉的静电微滴喷射状态检测方法，其特征在于：

感应电流检测方法：收集电极处的感应电流I_C由常规电流放大器检测；随着喷嘴处液面的形变和断裂、微液滴下落，收集电极上的感应电荷发生变化，从而产生感应电流；感应电流I_C由反映出液面的形变过程；每次液面伸长成为泰勒锥然后回缩的过程，电流放大器的输出信号都会出现一个脉冲峰值；电流放大器采用微安或纳安级电流放大电路。