光纤、电容液滴传感器的设计研究

光纤、电容液滴分析技术是利用光纤和电容测试技术制成特殊的液滴传感器，获取经过液滴的光强信号随液滴生长变化的规律以及有关液滴体积的信息。文中将具体介绍光纤、电容液滴传感器的工作原理、电容液滴传感器的数学模型和液滴滴头的结构设计，同时给出由传感器获取的与液滴生长过程相关的光纤信号和液滴体积信号。     

光纤、电容液滴分析仪(一):原理与实验

介绍一种用于液体特性研究的新型仪器——光纤、电容液滴分析仪(FCDA：Fiber—Capacitive Drop Analyzer)。该仪器利用光纤液滴分析技术和电容液滴分析技术制成特殊的液滴传感器，获取经过液滴的光强信号随液滴生长变化的规律，得到反映液体综合特性的“液滴指纹图”。通过对部分样品进行测试实验，证明液滴指纹图可以作为鉴别液体的依据，同时具有测量液体物理、化学特性参数的潜力。     

流道结构和两相流速对微液滴制备的影响

液滴微流控因其可以高效、方便地生成高单分散性液滴,被广泛应用于微材料制造、药物分析、细胞培养等领域.进一步探究流道尺寸、流量对微液滴生成和尺寸的影响,有助于对微液滴实现精准控制.通过设计不同的十字流道尺寸和控制两相流量进行微滴实验探究,研究表明了流道结构对液滴生成周期的影响,以及液滴尺寸和生成速率随流道结构出现较大差异.不同流道出口尺寸下,液滴尺寸相差约1倍,而最高生成速率可达1052.53滴/s.同时通过数值仿真解释了液滴生成周期中压力和流速的变化对液滴尺寸和生成速率的影响.     

微流控芯片中液滴被动式融合的流道设计

液滴是近年来在微流控芯片上发展起来的一种全新的操纵微小体积液体的技术.液滴的融合方式分为主动式和被动式两种,主动式融合主要是通过在局部施加电场进行的电融合,而被动式融合则是通过对流道的形状局部修改,利用两个液滴的速度差和由于挤压形变后产生的应力促使液滴完全融合.文中设计了一种用于融合液滴的扩张通道,给出流体控制方程,从雷诺数、空间受限效应、主流流体的流场变化和液滴体积4个方面探讨对液滴有效融合的影响.     

光电式多波长传感器在液滴分析技术中的应用

光电式多波长传感器（Photoelectric Multiple-wavelength Sensor，PMWS）是一种新型传感器。将PMWS运用于液滴分析技术中构成多波长液滴分析仪，可获得有关液滴体积及基于不同波长的光信号随液滴生长变化的信息，从而得到包含被测液体特性信息的液滴指纹图。利用该传感器，还可采用CCD摄像装置实时获取液滴的轮廓信息，而多波长光源的运用又可以更深入地了解液体的光学特性。     

液滴分析仪传感信号处理方式的研究

电容、光纤液滴分析仪FCDA (Fiber-Capacitive Drop Analyzer)是一种新型液体分析仪器,该仪器可以得到反应液体综合特性的"液滴指纹图".本文将详细的描述液滴分析仪的传感信号处理电路,包括前置放大、分离滤波等电路.通过对部分样品测试实验,得到具有可比性的液滴指纹图,证明传感信号处理电路可以满足液滴分析仪的具体要求.     

均匀液滴喷射过程仿真与试验研究

针对液滴喷射增材制造试验参数调整困难、实施难度较大的现存问题,基于流体体积(Volume of fluid,VOF)两相流模型,建立均匀液滴喷射过程流场的计算模型。采用数值模拟的方法,对液滴喷射过程中的液滴流形态、压力场和速度场及其影响因素进行了研究,揭示了形成均匀液滴流的内在变化规律,得到了均匀液滴喷射过程的最优频率。在模拟结果的基础上,建立了液滴喷射装置并配置了相应的高速拍照系统,对射流断裂形态、喷射过程、喷射速度进行了试验研究。结果表明,射流速度主要取决于喷射压强,液滴流均匀性主要取决于扰动频率和扰动振幅,射流的压力场则呈周期性变化。模拟结果与试验结果吻合较好,说明所提出的建模方法是可行的,为不同情况下射流内部流场的计算提供了实用的方法,也为液滴喷射增材制造技术的应用奠定了理论基础。     

基于离心力的液滴制备研究

为平衡液滴制备装置的小型化和加工成本的需求，研制一种基于离心力的液滴制备装置。该装置结构简单，仅由压电单晶片和不锈钢毛细管组成。在正弦波信号的激励下，压电单晶片对不锈钢毛细管产生振动激励，于管尖耦合成椭圆轨迹运动，管尖的液滴高速旋转，当离心力克服表面张力时，液滴断裂并脱离管尖，以此制备液滴。对所设计的压电振子进行有限元分析，在此基础上加工实物并搭建实验平台，研究所制备液滴的尺寸、转速与驱动电压的对应关系。结果表明：该液滴制备装置可以制备半径为1.283～0.209 mm的液滴，液滴制备速率最高可达37μL/min，可以通过驱动电压控制所制备液滴的尺寸。     

润湿性梯度表面上液滴运动的数值模拟

建立液滴在具有润湿梯度表面上运动的物理和数学模型,用Fluent软件模拟出液滴在润湿梯度表面上的运动过程,并从能量变化的方法得到液滴在润湿梯度表面上运动的机制.计算结果表明润湿性梯度表面上的液滴具有不同的能量状态,当液滴的接触角较大时,液滴的表面能较大,此时液滴可以自发地向低接触角的方向运动,润湿性梯度的分布状况将决定液滴运动过程的速度和加速度的大小.     

液滴指纹图的归一化处理和特征提取

液滴指纹图被认为是反映液体特性的综合数据库 ,介绍了对液滴指纹图进行归一化处理的方法和步骤 ,以及通过建立特征函数计算被测液体的指纹图相对于参照液体指纹图的相关系数 ,从而提取液滴指纹图的特征值的方法。文中给出部分实验曲线及数据结果。     

浅谈液滴分析仪的机械结构设计

本文基于液滴分析技术的原始理论,重新设计了电容传感器的机械结构。为了找到纤维进给的深度,设计了梯度为0.1mm的垫片调整机构,以控制纤维探头通过垫片的插入深度并达到最表征的位置,以便液滴实验能够最好地再现状态。实验表明,使用1.8mm垫片来限制纤维深度可以获得最佳的液滴指纹。     

核酸检测一体化微流控芯片设计与液滴操纵分析

设计了一种基于磁珠法的两相流液滴微流控芯片,包含样品提纯、扩增和检测一系列连续的生化过程,可用于快速核酸检测.首先建立了磁珠和液滴在两相流体系内的动力学模型,并借助有限元仿真平台对磁珠微团所处环境进行了磁场仿真,得到不同体积磁珠微团所受的磁力.进一步还分析了磁珠微团、液滴体积、永磁体移动速度对液滴运动状态的影响,最终总结出液滴操纵图.     

电容液滴传感器

电容液滴传感器是利用液滴头和环形极板组成的特殊电容传感器，将液滴体积的变化转化成电容量的变化，从而间接测量液滴的体积。文中具体介绍了电容液滴传感器的工作原理，同时给出随液滴生长过程液滴体积的变化规律，并用图像处理的方法对液滴体积进行计算，得到基于频率的液滴体积变化曲线。     

声表面波微流控液滴生成技术研究进展

微液滴是一种十分优秀的微反应器,在化学合成、生物检测及细胞研究等领域应用广泛。近年来,声表面波微流控技术发展迅速,在微液滴制备中具有重要应用前景。首先简单回顾了微液滴和声表面波微流控的研究发展历程,然后重点介绍了声表面波微流控液滴生成的工作原理、器件结构、液滴生成过程及工艺参数等;同时介绍了声表面波微流控核壳微液滴的可控生成机理及其制造过程。最后总结并展望了该技术在生化检测、生物3D打印等领域的应用前景。     

微量润滑切削雾化液滴毛细管渗透机理研究

微量润滑切削在绿色加工领域有广阔的发展前景,但是在加工过程中润滑油雾的毛细管渗透机理和影响规律仍不明晰。因此,设计了带有负压环境的微切槽毛细管渗透试验,结合雾化液滴毛细管渗透的动力学分析,探究了微量润滑条件下气压、流量和微切槽毛细管横截面积对液滴渗透速度的影响规律。结果表明,毛细管中的负压环境为液滴的渗透提供了便利;随着气压和流量增大,液滴的渗透速度增大,但是毛细管的截面大小对液滴的渗透速度并无显著影响。     

喷雾闪蒸过程的数学模型建立

在扩散控制蒸发模型的基础上,运用质量守恒、能量守恒和传热传质等基本定律,建立了喷雾闪蒸的数学模型,使用MATLAB/Simulink进行求解,经计算得出闪蒸过程中液滴温度、直径、质量、蒸发速率和蒸发率的变化规律,使用控制变量法,研究了液滴初始温度、闪蒸环境压力、液滴直径对液滴的温度、直径、质量、蒸发速率和蒸发率随着时间的影响,得出了相应的结论。     

均匀液滴喷射过程中温度的测量及计算

针对喷射过程中飞行液滴的温度难以准确测量的问题,本文设计了微小液滴温度检测系统.采用该系统测量并得到了液滴初始温度,沉积板预热温度,液滴的冷却速率及其飞行轨迹的环境气体温度.利用快速响应热电偶测量液滴在飞行时的温度,直径为400 μm和600 μm液滴的冷却速率分别为-3.76 ℃/mm和-1.82 ℃/mm.根据液滴的初始温度和冷却速率即可求得其在飞行时的瞬时温度值.依据飞行液滴降温模型,将液滴初始温度和环境气体温度分布函数代入模型的传热控制方程,计算出液滴的冷却速率分别为-4.01 ℃/mm和-1.99 ℃/mm.该计算值与实验测量值吻合良好,证明了本文液滴温度测量方法的可行性.     

以多组分碳氢为基础的燃料液滴蒸发特性的研究

建立了一种在对流热空气下蒸发两组分燃料液滴的蒸发模型。分析了蒸发质量、液滴寿命等参数随燃料碳链长度、环境温度、液滴半径、掺混比等影响因素的变化规律。分析的结果是,随着碳链长度,环境温度,液滴半径和混合比的增加,液滴的蒸发速率加快。     

悬空零电极介电湿润芯片的设计

针对目前单极板数字微流控芯片驱动液滴的效果多通过数值仿真方法验证而缺乏实验支持,本文提出将单极板结构中的零电极进行悬空设计,并通过实验对比分析了设计的悬空零电极单极板结构的芯片和传统双极板结构的芯片对液滴的驱动效果。首先,基于介电湿润原理,推导出传统双极板结构中液滴所受到的介电驱动力以及每个阻力,接着,对文中设计的悬空零电极结构的单极板数字微流控芯片中液滴的受力情况进行分析。然后,对比分析两种结构的数字微流控芯片中液滴的受力情况。最后,对两种结构的数字微流控芯片驱动去离子水微液滴的效果进行试验验证。实验结果显示:驱动同等体积大小的微液滴时,本文设计制作的悬空零电极单极板芯片比双极板结构的芯片所需的电压更低,液滴的运动速度更快;当有效驱动电压达到44V时,液滴的速度可以达到15cm/s。得到的实验结果证明了在单极板悬空零电极结构的数字微流控芯片上液滴驱动速度更高,驱动电压更低。