微流体运动的试验研究

微流体运动特性研究是微流量控制系统设计和性能完善的基础。本文对微管道流体运动进行了分析,采用液面图像显微观测研制的微流量测量系统可以对微流体运动的有关参数进行方便、较精确的测量。进行了以去离子水和直径为φ24～8μm直圆管为对象的试验,并对试验结果进行了分析。     

计算机微视觉微运动测量系统图像噪声分析

对计算机微视觉微运动测量系统采集的图像噪声及处理方法进行了研究.分析了各种在微运动测量时引起测量误差的图像噪声.在此基础上,通过对一幅典型的由计算机微视觉微运动测量系统采集的MEMS图像进行分析,给出了减少这些噪声的常用方法.分析表明了对于这种微结构图像以下噪声处理方法的有效性:首先采用中值滤波器减少散粒噪声以及采用一个低通滤波器减少高频噪声,然后采用两点修正法可以减少固定图像噪声;此外,在采集图像时适当增加曝光时间可以减少机械噪声的影响.     

直微通道中的电黏性效应

为了研究直微通道中幂律流体的电黏性效应,建立了压力驱动微通道内流体流动的数学模型,其中双电层电势分布、流体流动及流动粒子输运特性分别由Poisson-Boltzmann(P-B)方程、Navier-Stokes(N-S)方程及Nernst-Plank(N-P)方程描述。讨论了微通道中有电黏性效应时溶液浓度;幂律指数对微通道内流体的速度分布、流动电场强度的影响。结果表明:对于n1的剪切变稀流体,流体的黏度和流动速度随着n的增大而减小,变化非常明显;而对于n1的剪切变稠流体,黏度和流动速度几乎不受n的影响,在实际应用中可以忽略不计。     

双电层效应对压力驱动微流体流动及传热的影响

在非对称壁面zeta电势及热通量边界条件下,研究双电层效应对平行微流道内压力驱动微流体流动及传热特性的影响.建立微流道内压力驱动流体的数学模型,双电层电势分布、流体流动及传热特性分别由Poisson-Boltzmann方程,修正的N-S方程,能量方程进行描述,对三个方程进行求解并得到微流道内电势,速度及温度分布的解析解.详细讨论动电参数、壁面zeta电势、上下壁面zeta电势比及热通量比等因素对电势场、流场、温度场及微流体传热性能的影响.结果表明,壁面zeta电势会影响微流道内电势分布,流动电势的改变会影响速度分布,进而影响微流道的温度分布与传热性能.在微尺度下,双电层效应对压力驱动流的影响很明显,与传统的无双电层效应的泊肃叶流相比,其流动及传热特性均有显著差异.     

显微粒子图像测速计算方法

粒子图像计算方法是显微粒子图像测速技术中重要的研究内容,图像计算精度是决定流体测速结果不确定度的重要因素.在分析单幅双曝光自相关算法和单幅单曝光互相关算法的基础上,将统计互相关算法和平均算法相结合,提出平均统计互相关算法.在不同诊断窗口大小下对粒子图像的计算结果显示,统计互相关算法的精度高于其他两种相关算法.分析了诊断窗口大小对计算精度的影响,给出计算参数的选择方法,并给出利用平均统计互相关算法计算微沟道中粒子图像的结果.     

驱动电压波形修圆对微流体脉冲惯性力和驱动效果的影响

介绍了微流体脉冲驱动-控制技术,分析了微流体脉冲驱动-控制过程,指出在这一过程中影响微流体流动的主要因素是微流道固壁加速度和流体内部的黏性力。采用"椭圆修圆法"对方波驱动电压进行修圆,针对修圆点的位置决定微流体的驱动方向,获得了不同修圆位置和修圆系数的驱动电压修圆波形。通过实验探索了波形修圆对微流道固壁运动加速度、微流体脉冲惯性力和流体驱动效果的影响规律并进行了机理分析。所得流体体积流量可在0～15.4pl/min连续变化,远小于现有的微流体驱动技术。本文的研究成果可为微流体脉冲驱动-控制技术在微流体系统中的进一步应用提供参考。     

一种新型管道微机器人驱动力的理论分析和实验研究

研究一种管道微机器人新型轮式驱动方法及结构,即由驱动轮表面与管道表面作用产生的牵引力和驱动轮表面结构的弹性变形力来驱动微机器人运动。分析了新型管道微机器人在运动时的受力情况,并推导得到驱动轮弹性变形驱动力和牵引力的计算公式。同时,笔者研制了一种微小力测试实验台,对驱动轮的弹性变形驱动力进行了测试。     

计算机微视觉在微运动测量中的应用

计算机微视觉方法在微运动测量中得到了广泛的应用.本文对计算机微视觉测量的基本原理、特点及采用计算机微视觉测量微运动的精度影响因素进行了分析.此外,以精密微动平台为测量对象,将计算机微视觉与运动估计算法相结合,测量了微动平台的微运动.测量结果表明,这种将计算机微视觉与运动估计算法相结合的方法能够实现高精度的微运动测量.     

基于三维速度场构建的微流量测量方法研究

采用微流体粒子图像测速仪(microscale particle image velocimetry,micro-PIV)对200μm宽、60μm深的长直通道三维速度场进行了非接触定量可视化测量,并在此基础上计算了通道内的微流量。实验采用二维分层速度场测量方法,将通道沿物镜景深方向划分为11个流体层,通过高精度的位移平台实现流体跨层粒子图像采集。分别针对64×64像素和32×32像素2种判读域,采用micro-PIV系综相关算法对流体层二维速度场进行分析,获得三维全场速度分布,在此基础上利用截面速度离散积分原理计算出截面微流量。实验结果表明,基于微流体粒子图像测速仪的三维速度场分析能够实现对微通道流量的精确测量。对于64×64像素判读域,输入流量在2.481～5.788μL/min范围的测量结果精度较高,最大相对误差为3.87%;对于32×32像素判读域,输入流量在3.307～8.269μL/min范围内均有较高测量精度,最大相对误差为3.69%,表明采用32×32像素判读域的流量测量精度总体上优于64×64像素判读域。     

一种柔性移动微小机器人系统的驱动力学特性分析

基于尺蠖运动的机理，本文研制了一种具有柔性移动机构的微小机器人内窥镜诊疗系统，该机器人系统采用三自由度空气压橡胶驱动器驱动，通过气囊钳位。分析了机器人系统的驱动力学特性，设计了电-气控制系统控制机器人移动，并通过该电-气控制系统实验测试了机器人系统的驱动力学特性。实验结果表明，理论分析与实验测试结果相符，该机器人系统可在软管内实现平滑柔性移动。