压电驱动撞针式高黏性液体微量分配技术研究

摘要

各类液体材料的快速、微量、精确分配操作，是生命科学、微电子、快速制造等领域实验操作中不可或缺的技术手段。尤其近几年来来，随着各领域相关技术的发展，实验中需要分配的液体种类越来越多，尤其一些高粘度、难分配的液体材料不断成为研究对象，而需要的液体剂量不断减小，要求的分配速度不断提高。此时，微量高黏性液体材料的快速、精确分配成为影响液体应用领域发展的关键技术之一，这使得研究能够对高粘度液体进行微量分配操作的技术和设备，具有十分重要的意义。
　　本文面向各类液体应用领域对高黏性液体材料的分配需求，针对微量高黏性液体不易分配的问题，开展将压电驱动和撞针式喷射原理相结合的压电驱动撞针式微量分配方法的研究，研制了面向高黏性液体微量分配的压电驱动撞针式喷射阀，开发了包含该喷射阀、驱动模块、运动平台和人机接口模块的一套微喷系统，实现了对微量高黏性液体的快速、精确、灵活分配，满足了相关领域的分配需求。
　　为了保证在压电驱动撞针式分配模式下，具有不同粘度和体积的微量高黏性液滴能够稳定地从喷嘴端部脱离，本文对液滴的形成和脱离过程进行了研究。首先，基于量纲分析和π定理得到对液滴形成和脱离过程具有重要影响作用的若干无量纲参数(韦伯数、雷诺数、奥内佐格数等)；然后，在CFD软件 Fluent中，利用上述无量纲参数研究了系统参数对液滴形成和脱离过程的影响，得到了液滴形成并从喷嘴端部脱离的三个条件：1)分配不同粘度液体时，需调控分配系统参数（如喷嘴半径、分配压力与速度等），将奥内佐格数、雷诺数等无量纲参数控制在合理范围内，方能形成稳定的液滴；2)液滴脱离时间与粘度成正比，且分配脉冲的间隔时间与脱离时间的比值需大于1.4，方能保证液滴顺利脱离；3)单次可分配的最小体积与韦伯数成反比，且不小于与喷嘴等半径的球体体积；最后，利用搭建的压电驱动撞针式微喷平台对不同粘度的液体进行了分配实验，验证了理论分析结果的可靠性，指导了压电驱动撞针式微喷系统参数的调控和优化。
　　为了研究系统结构、控制参数对不同粘度液体的分配体积与速度等的影响规律，指导压电驱动撞针式微喷系统的设计和控制，基于键合图理论，构建微喷系统的动力学模型；通过 Matlab仿真分析和实验，研究了如阀体内液流通道的结构和尺寸、气压、电压、粘度等参数对液体分配过程的影响，得到了分配速度和液滴体积的预测公式；结合考虑液滴形成和脱离的条件，通过划分液体粘度梯度，确定了适合不同梯度内液体分配的系统参数调控范围。研究结果对确定喷射阀关键部件的结构和尺寸，调节系统控制参数等具有指导意义。
　　为了实现微量高黏性液体材料的精确、灵活、快速分配操作，构建了基于模糊自适应 PID的微量预分配控制系统。该系统利用精密天平秤取液滴质量来获取液滴尺寸信息，并以此作为控制系统反馈量，能够在经过较少次数的预分配试验后，获取未知粘度液体分配的微喷系统控制参数。
　　在以上研究的基础上，开发了压电驱动撞针式高黏性液体微量分配系统，该系统主要由喷射阀、喷射阀驱动模块、运动平台和人机接口模块构成。该喷射阀利用压电致动器带动撞针上下往复振动，利用高压空气驱动高黏性液体沿阀体内通道流动，以此实现对液滴分配状态的控制；喷射阀驱动模块能够产生并放大压电致动器驱动电压信号、气压调整信号；运动平台模块可承载基板沿规划的路线运动，实现了对液滴坠落位置的控制；人机接口程序模块实现了人机交互，可对各项控制参数进行设置。
　　基于上述喷射阀和控制系统，利用多种不同粘度的液体材料进行微量分配实验，对微喷系统的性能进行测试。实验结果表明，系统分配速度可达到200个液滴/秒，可获取的最小液滴体积为0.055?L，分配精度在8％(CV)以内，准确度在?6%以内，可对100000 mPa.s粘度范围内的液体材料进行分配操作。在液滴分配过程中，运动平台能够以需要的速度沿规划的路线运动，喷射阀可及时地将液滴喷射到指定位置。上述结果充分满足了不同液体应用领域对高粘度液体能够快速、灵活、精确分配操作的要求。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源及主要研究内容

第2章 高黏性液滴喷射过程研究

2.1 引言

2.2 影响高黏性液滴形成和脱离的因素

2.3 基于量纲分析和数值仿真的液滴脱离过程研究

2.4 高黏性液滴脱离实验

2.5 本章小结

第3章 压电驱动撞针式微喷系统建模与分析

3.1 引言

3.2 压电驱动撞针式喷射阀的构成及工作原理

3.3 基于键合图理论的微喷系统建模

3.4 高黏性液体快速微量分配过程分析

3.5 系统参数调控范围

3.6 本章小结

第4章 高黏性液体微量分配控制方法研究

4.1 引言

4.2 控制目标及影响分配精度的因素

4.3 控制系统组成原理

4.4 基于模糊自适应PID控制的分配方法

4.5 高黏性液体微量分配效果测试

4.6 本章小结

第5章 压电驱动撞针式微喷系统研制及实验研究

5.1 引言

5.2 微喷系统的构成原理

5.3 微喷系统的研制

5.4 微喷系统分配实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录1

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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