CN113218827B - 一种基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置，用于解决现有的带电液滴尺寸检测方法需要高放大倍数的显微镜等问题。该装置通过两块平行电极板建立一个匀强电场，使带电液滴在电场中发生偏转，同时基板上连有一电流计，当液滴沉积到基板上时会有瞬间的电流流过，通过该电流可以间接的得到液滴的电荷量，电场的方向为水平向，只改变液滴的水平方向运动状态，经过运动学分析即可以得到液滴在水平方向上移动距离与电荷量、质量之间的关系，借助此关系式计算出液滴的尺寸。本发明可以在电场喷雾或电场按需喷射等加工过程中实时监控液滴的尺寸，有利于工艺参数的及时调整，同时其结构简单，操作较为方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置，属于液滴形貌检测领域。
背景技术
在类似于电场喷雾等技术中，会产生微米至纳米级的带电液滴。通过检测液滴的尺寸大小，可以对工艺参数进行针对性的优化。最常见的检测液滴大小的方式就是通过显微镜观察沉积的液滴，或者是通过摄像机拍摄后用图像处理方法测量。此类方法使用的较多，相关文献如CN104089857B。这种方式精度比较高，适用范围广，且不论液滴是否带电均可以使用，但是需要高放大倍数的显微镜或高速摄像机。对于某些尺寸在纳米级别的液滴，可能需要使用扫描电镜，这对检测设备提出了很高的要求。另一方面，利用显微镜观察测量液滴大小的方式必须在加工完成后才能进行，这导致无法实时监控设备的工作状态，也无法及时的做出调整。
另外一种方式是通过测量液滴的带电荷量间接测量液滴大小。通过实验总结出来的经验公式来推断液滴的直径。这种方式虽然操作较为简便，但往往并不准确。很多情况下液滴的带电量并不与其大小有着确定的关系，所以该方法使用较少。
除此之外还可以使用光学方法来测量喷雾液滴直径。利用激光照射喷雾区域，通过激光经过喷雾区域时产生的折射等信息来间接得到液滴的粒径、折射率等相关信息。但这种方法较为复杂，需要专门的算法程序。类似的文献如CN203785996U、CN208255011U等。
在电场中，带电液滴会受到电场力作用而发生偏转，偏转的加速度与液滴的质量以及液滴的带电量有关。如果液滴在运动过程中未发生质量损失，那么液滴的大小不会发生变化。此时通过运动学计算，就可以建立液滴质量与其带电量的关系，进一步推导可获得液滴直径等相关信息。
发明内容
为了解决现有液体微滴尺寸检测装置不准确或需要高放大倍数的显微镜等问题，本发明提出一种基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置，包括激光源A，高压极板，激光源B，基板，接地极板，接收器A，计算机，接收器B，电流计，和置于所述基板下方的摄像机；其中激光源A发出的激光由接收器A接收，激光源B发出的激光由接收器B接收，所述激光源A和激光源B平行置于所述高压极板的左侧，所述接收器A和接收器B相应置于所述接地极板的右侧；高压极板和接地极板均可以导电且平行设置，高压极板上施加有一定的电压，而接地极板接地；基板可以导电并接地，且置于所述高压极板和接地极板的下方，同时在接地线上串联有一电流计；接收器A、接收器B、电流计以及摄像机由计算机监测。
同时在该装置中，激光源A发出的激光由接收器A接收，激光源B发出的激光由接收器B接收。当液滴进入高压极板和接地极板之间时，会挡住激光源A发出的激光，使得接收器A产生一个信号。当液滴穿出高压极板和接地极板之间时，会挡住激光源B发出的激光，使得接收器B产生一个信号。另外，当电流计有电流流过时，会产生一个信号。这三个信号均会传输到计算机中，并由计算机记录下接收到信号的时间点。另外，基板透明且带有刻度。
本发明中，所述液滴在高压极板与接地极板之间运动时，可以列出以下方程：
其中V是施加在高压极板上的电压值，q是电流计检测到的液滴带电量，tA是接收器A发出信号的时间点，tB是接收器B发出信号的时间点，D是高压极板与接地极板之间的间距，
m是带电液滴的质量，而x1是液滴位于电场中时在水平方向上移动的距离；当液滴从电场
中穿出后落到基板4上，可以列出以下方程：
其中tC是电流计发出信号的时间点，x2是液滴在穿出电场后在水平方向上移动的距离，此时，只需要通过摄像机测量液滴在基板上沉积的位置，就可以知道液滴的总水平位移，并有如下关系：
x＝x1+x2，
其中x是液滴最终沉积位置与进入电场之前的位置的水平位移，也就是通过摄像机测量出的位移，ρ为液体的密度，而d为液滴的直径。
有益效果
本发明通过两个较大的平行电极板来建立一个均匀的电场，让液滴在电场中穿过，并因为电场的作用而发生偏转，其中电场的方向水平，这样电场力完全只改变液滴水平方向上的运动；根据液滴最终沉积在基板上的位置，就可以建立起液滴大小与带电量之间的关系，进一步从液滴的带电量来间接推算液滴的尺寸。本发明操作简便，并且可以在电喷雾等工艺的工作过程中做到实时检测，及时调整工艺参数。
附图说明
图1是本发明基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置示意图。
图2是公式中部分参数说明图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明作进一步说明：
参照图1，该装置包括激光源A 1，高压极板2，激光源B 3，基板4，接地极板6，接收器A7，计算机8，接收器B9，电流计10，摄像机11；高压极板2和接地极板6均可以导电，高压极板2上施加有一定的电压，而接地极板6接地；基板4可以导电并接地，同时在接地线上串联有一电流计10；接收器A7、接收器B9、电流计10以及摄像机11由计算机8监测。
同时在该装置中，激光源A1发出的激光由接收器A7接收，激光源B3发出的激光由接收器B9接收。当液滴进入高压极板2和接地极板6之间时，会挡住激光源A1发出的激光，使得接收器A7产生一个信号。当液滴穿出高压极板2和接地极板6之间时，会挡住激光源B3发出的激光，使得接收器B9产生一个信号。另外，当电流计10有电流流过时，会产生一个信号。基板4透明且带有刻度。
当使用该装置测量带电液滴的尺寸时，首先将一个恒定的电压接到高压极板2上，使其与接地极板6之间形成稳定的、水平向右的电场。
随后，使带电液滴5从高压极板2与接地极板6的正中间进入电场，液滴在进入电场之间首先会挡住激光源A1发出的激光，此时接收器A7无法接收到激光并产生一个信号，计算机8接收到信号后记录下相应的时间。
带电液滴5进入电场中后在电场力作用下发生偏转，一段时间后从高压极板2与接地极板6之间穿出，此时带电液滴5会挡住激光源B3发出的激光，使得接收器B9产生一个信号，计算机8接收到信号后记录下相应的时间。
带电液滴5从电场中穿出后，具有一定的水平方向的速度，此时其会继续下落一段时间并最终沉积到基板上，当其沉积到基板的瞬间，带电液滴5上的电荷会被基板导走，并有电流通过电流计10，此时电流计10产生一个信号并由计算机8记录下相应的时间，同时通过电流计10上通过的电流大小可以知道液滴的带电荷量。
液滴在高压极板2与接地极板6之间运动时，可以列出以下方程：
其中V是施加在高压极板2上的电压值，q是电流计10检测到的液滴带电量，tA是接收器A7发出信号的时间点，tB是接收器B9发出信号的时间点，D是高压极板2与接地极板6之间的间距，m是带电液滴5的质量，而x1是液滴位于电场中时在水平方向上移动的距离。
当液滴从电场中穿出后落到基板4上，可以列出以下方程：
其中tC是电流计10发出信号的时间点，x2是液滴在穿出电场后在水平方向上移动的距离，其余量均和上文中所述一致。此时，只需要通过摄像机11测量液滴在基板4上沉积的位置，就可以知道液滴的总水平位移，并有如下关系：
x＝x1+x2
参照图2，其中x是液滴最终沉积位置与进入电场之前的位置的水平位移，也就是通过摄像机11测量出的位移。ρ为液体的密度，而d为液滴的直径。通过上述的方程，可以通过电荷量q求出液滴的质量m，进一步求出液滴的直径。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置，其特征在于：包括激光源A(1)，高压极板(2)，激光源B(3)，基板(4)，接地极板(6)，接收器A(7)，计算机(8)，接收器B(9)，电流计(10)，和置于所述基板(4)下方的摄像机(11)；其中激光源A(1)发出的激光由接收器A(7)接收，激光源B(3)发出的激光由接收器B(9)接收，所述激光源A(1)和激光源B(3)平行置于所述高压极板(2)的左侧，所述接收器A(7)和接收器B(9)相应置于所述接地极板(6)的右侧；高压极板(2)和接地极板(6)均可以导电且平行设置，高压极板(2)上施加有一定的电压，而接地极板(6)接地；基板(4)可以导电并接地，且置于所述高压极板(2)和接地极板(6)的下方，同时在接地线上串联有一电流计(10)；接收器A(7)、接收器B(9)、电流计(10)以及摄像机(11)由计算机(8)监测。
2.根据权利要求1所述的基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置，其特征在于：当液滴进入高压极板(2)和接地极板(6)之间时，会挡住激光源A(1)发出的激光，使得接收器A(7)产生一个信号。
3.根据权利要求1所述的基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置，其特征在于：当液滴穿出高压极板(2)和接地极板(6)之间时，会挡住激光源B(3)发出的激光，使得接收器B(9)产生一个信号。
4.根据权利要求1所述的基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置，其特征在于：当电流计(10)有电流流过时，会产生一个信号。
5.根据权利要求1所述的基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置，其特征在于：基板(4)透明且带有刻度。
6.根据权利要求2或3所述的基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置，其特征在于：所述液滴在高压极板(2)与接地极板(6)之间运动时，可以列出以下方程：
其中V是施加在高压极板(2)上的电压值，q是电流计(10)检测到的液滴带电量，tA是接收器A(7)发出信号的时间点，tB是接收器B(9)发出信号的时间点，D是高压极板(2)与接地极板(6)之间的间距，m是带电液滴(5)的质量，而x1是液滴位于电场中时在水平方向上移动的距离。
7.根据权利要求6所述的基于电场偏转的液体微滴尺寸检测装置，其特征在于：当液滴从电场中穿出后落到基板(4)上，可以列出以下方程：
其中tC是电流计(10)发出信号的时间点，x2是液滴在穿出电场后在水平方向上移动的距离，此时，只需要通过摄像机(11)测量液滴在基板(4)上沉积的位置，就可以知道液滴的总水平位移，并有如下关系：
x＝x1+x2，
其中x是液滴最终沉积位置与进入电场之前的位置的水平位移，也就是通过摄像机(11)测量出的位移，ρ为液体的密度，而d为液滴的直径。
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