[發(fā)明專利]氣動(dòng)式微滴噴射過(guò)程中被噴射液體流體特性變化的監(jiān)測(cè)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011357907.5
• 申請(qǐng)日: 2020-11-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112733418A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王志海;包偉捷;王飛;王一瑋;楊寶俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/27
• 分類號(hào): G06F30/27;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發(fā)明公開(kāi)了氣動(dòng)式微滴噴射過(guò)程中被噴射液體流體特性變化的監(jiān)測(cè)方法，本方法是在固定噴射參數(shù)(包括前述噴射裝置幾何尺寸、電磁閥導(dǎo)通時(shí)間Δt、電磁閥前端氣源氣壓P₀等參數(shù))的條件下，對(duì)流體特性保持穩(wěn)定的液體建立對(duì)噴射狀態(tài)參數(shù)S的預(yù)測(cè)模型，并獲得預(yù)測(cè)誤差范圍和預(yù)測(cè)模型的置信區(qū)間。如果預(yù)測(cè)模型失效，預(yù)測(cè)值超出置信區(qū)間范圍，則判定流體特性發(fā)生改變。本發(fā)明通過(guò)采集儲(chǔ)液腔氣壓波形P(t)和液滴噴射狀態(tài)參數(shù)實(shí)際值S，能夠有效判斷液體樣本的流體特性。可用于氣動(dòng)微滴噴射裝置的液體的流體特性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微滴噴射領(lǐng)域，具體涉及一種氣動(dòng)微滴噴射系統(tǒng)。針對(duì)氣動(dòng)式微 滴噴射裝置在工作過(guò)程中待噴射液體的流體特性可能發(fā)生變化的問(wèn)題，提出一種 流體特性改變的檢測(cè)方法。可用于氣動(dòng)微滴噴射裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

背景技術(shù)

微液滴噴射技術(shù)除了用于噴墨打印外，還廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、印刷電子、 3D制造等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的微液滴生產(chǎn)方法采用熱驅(qū)動(dòng)或壓電驅(qū)動(dòng)，在噴墨打印中 得到廣泛應(yīng)用。除此之外，近年來(lái)一些非標(biāo)準(zhǔn)(non-standard)微液滴噴射方法 取得了許多進(jìn)展。氣動(dòng)微滴噴射是一種有代表性的非標(biāo)準(zhǔn)微滴噴射技術(shù)。相較于 其他噴射方式，操作簡(jiǎn)單且適用于各種粘度和溫度范圍的樣品。氣動(dòng)液滴噴射技 術(shù)廣泛應(yīng)用于電子封裝、金屬3D打印、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。特別是在生物打印領(lǐng) 域，氣動(dòng)噴射過(guò)程液體中的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓電驅(qū)動(dòng)的情況。用于細(xì)胞打印時(shí)， 氣動(dòng)微滴噴射實(shí)現(xiàn)了近100％的細(xì)胞存活率，使其成為施加包含細(xì)胞生物樣品的 技術(shù)選項(xiàng)。

常見(jiàn)的氣動(dòng)微滴噴射裝置由微滴噴射系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，如圖1。通過(guò)該 裝置可以獲得較為可控的微滴，并記錄儲(chǔ)液腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)與某一 時(shí)刻下液滴和噴嘴的圖像。

微滴噴射系統(tǒng)主要包括：儲(chǔ)液腔體、噴嘴、高速電磁閥、氣壓調(diào)節(jié)器和通氣 管路(包含進(jìn)氣通道，放氣管和T形接頭)。

噴嘴被固定在儲(chǔ)液腔底部，通氣管路位于腔體頂部，其中的T形接頭三個(gè) 端口分別連接至腔體、放氣管和進(jìn)氣通道，進(jìn)氣通道前端依次連接有受控制及數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)控制的電磁閥和氣壓調(diào)節(jié)器。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括：高亮LED燈、用于機(jī)器視覺(jué)監(jiān)控的工業(yè)相機(jī)、用于監(jiān) 測(cè)儲(chǔ)液器中的氣體壓力的高速壓力傳感器可控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(包含上位機(jī)、 控制軟件和下位機(jī))。控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶配置參數(shù)，驅(qū)動(dòng)相機(jī)在一 段延時(shí)(相比高速電磁閥開(kāi)啟信號(hào)上升沿定義的時(shí)間零點(diǎn))后，記錄下微滴狀態(tài) 圖像。

工業(yè)相機(jī)用于延時(shí)拍攝記錄微滴的圖像，位于微滴噴射系統(tǒng)儲(chǔ)液腔體下方， 為保證成像質(zhì)量，工業(yè)相機(jī)鏡頭正對(duì)高亮LED燈。高速壓力傳感器固定在微滴 噴射系統(tǒng)儲(chǔ)液腔體側(cè)壁。

高速電磁閥短暫導(dǎo)通Δt，高速電磁閥前端高壓氣源P₀的氣體進(jìn)入儲(chǔ)液腔，并 通過(guò)放氣管釋放。在儲(chǔ)液腔內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)氣壓脈沖P(t)。微滴的產(chǎn)生是在儲(chǔ)液腔內(nèi) 壓強(qiáng)脈沖即氣壓隨時(shí)間變化P(t)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合相關(guān)研究，可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣 和放氣管通路幾何尺寸、儲(chǔ)液腔中液面以上空間的體積V、電磁閥導(dǎo)通時(shí)間Δt、 電磁閥前端氣源氣壓P₀等參數(shù)。均會(huì)對(duì)腔內(nèi)氣壓振蕩波形P(t)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影 響微滴的產(chǎn)生。原則上，上述控制參數(shù)確定后，P(t)就確定了。

但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，由于氣源氣壓P₀不穩(wěn)定、高速電磁閥動(dòng)作重復(fù)性差導(dǎo)致Δt 取值會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)、工作時(shí)腔體內(nèi)液體表面的波動(dòng)等原因，會(huì)使得氣壓脈 沖P(t)即使在裝置正常工作狀態(tài)下也會(huì)存在一定隨機(jī)漲落，進(jìn)而造成微滴噴射狀 態(tài)參數(shù)的波動(dòng)。微滴噴射狀態(tài)可以通過(guò)微滴噴射狀態(tài)參數(shù)S描述。最常見(jiàn)的噴射 狀態(tài)參數(shù)包括：微滴個(gè)數(shù)N_d、一定延時(shí)下微滴與噴嘴的相對(duì)距離H_d。采集上述 噴射狀態(tài)參數(shù)的方法是利用延時(shí)拍照的方法拍攝微滴和噴嘴的照片，通過(guò)圖像處 理方法測(cè)量微滴的個(gè)數(shù)N_d，以及微滴與噴嘴的相對(duì)距離H_d。儲(chǔ)液腔內(nèi)的氣體壓 強(qiáng)脈沖P(t)可以通過(guò)高速氣壓傳感器測(cè)量。