微量液滴压电式分配与图像监测实验平台研究

微量液滴压电式分配与图像监测实验平台研究

【摘要】： 微滴喷射技术是一种精确分配技术,它具有非接触、效率高、材料浪费少等优点。随着微滴产生技术研究的深入,微滴分配在电子封装、微机电系统、微光学器件制造及生物制造工程等领域具有广阔的应用前景,这对微滴技术提出了高频率、微量化、精确可控的要求。而微滴分配过程中微滴的速度、体积、分配方向等参数对液滴分配质量有着非常大的影响,因此对上述参数进行监测也是非常有必要的。针对现阶段国内外微滴分配和微滴监测的研究现状,本文要构建一套压电式微滴分配系统,实现液滴高频率、微量化、稳定可控的分配,并对分配过程中液滴的速度、体积、偏转方向等参数实现有效的图像监测。首先,对压电微滴分配进行理论分析,根据压电微滴分配原理,利用Gambit和FLUENT进行建模仿真,通过模型建立、网格及区域划分、模型选取、边界条件设置、UDF函数编译等仿真流程,得到微滴分配过程是由液柱伸长、液柱颈缩、液柱断裂、成形喷射四个阶段构成;利用仿真得到了驱动波形参数、气压、驱动速度、液体粘度等参数对微滴分配参数的影响关系,为后面的微滴分配系统搭建提供了依据。然后,根据仿真结果对微滴分配系统进行了构建。气压控制模块的设计原则是提供背压并保证喷嘴处的液面处于合理的喷射位置;压电驱动模块通过波形发生和放大后产生用于激励压电喷头的波形,实现微滴分配;图像采集模块包括CCD、放大镜头与LED灯,可确保其工作于亮度可调的频闪环境,并有效地采集液滴图像;实验平台的可调节喷头、LED、CCD三者的相互位置,保证液滴分配后可完成图像监控。接下来,液滴监控系统由图像采集控制系统和图像处理分析系统组成。图像采集通过频闪延迟法原理设计、Lab VIEW软件编程控制、硬件调试采集到了清晰的液滴图像;图像处理中对图像处理算法进行设计并在LabVIEW中对算法中的各个功能完成编程,实现图像的处理分析任务。利用搭建的监测系统成功的对液滴分配过程中液滴的速度、体积、偏转方向等参数实现了实时监测,并根据一定的指标对液滴分配质量进行判断。最后,利用设计的液滴分配系统进行了实验分析。首先利用乙醇、水、甘油等溶液进行了分配实验,通过气压、电压幅值等参数的调节实现了分配,并利用监测系统对分配过程中参数进行了监测,证明微量液滴分配的稳定性;然后利用微滴分配系统实现了100~5000Hz的稳定分配,并探究了气压、驱动波形参数、电压、液体属性等参数对液滴分配过程的影响,得出分配规律并总结出微滴分配控制方法;最后对实验结果进行总结,得到产生卫星液滴的原因及避免方法。

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016

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