应用探析|高速摄像机在微流体喷射研究中的应用

       随着3D打印以及印刷电路的蓬勃发展，针对微流体喷射技术的研究成为热点。对微流体喷 射的机理研究与应用可明显优化喷涂效果。千眼狼高速摄像机在此过程中可助力液滴断裂瞬间的捕捉以及微流体喷射液滴体积的极ng确调控。

       液滴的断裂是微流体喷射过程中一个重要阶段，在日常生活中也随处可见（如图1漏水的水龙头）。低流量下的水因表面张力的存在聚集成液滴，当液滴聚集到一定程度时便会断裂。然而悬挂的液滴为什么会断裂呢？很多人**时间会联想到重力，但通过理论计算当重力作为驱动力的时候，断裂时间趋于无穷大，这显然不符合事实。其实液滴的快速断裂同样要归结于表面张力。液滴的断裂过程虽然简单，却包含丰富的物理规律，不同性质的流体断裂过程也各不相同，因此我们对其进行了一系列实验探析深层机理。

图1 漏水的水龙头

      研究液滴断裂中我们关注的特征变量分别为Z小直径Dmin，接触角θ及液滴长度L（见图2）。图3为拍摄牛顿流体液滴的形成过程实验（采用以上拍摄采用千眼狼5KF20(1920×1080@3000 fps)高速摄像机）。可以看出液滴的形成大致可以分为两个阶段：液体的聚集和液滴的断裂。在聚集阶段，随着液量的逐渐增多，液滴逐渐从半球状转化为类球状，接触角θ先变小后略微变大，液滴长度L增大，此时重力和惯性力为驱动力，而表面张力为反向力；在液滴的断裂阶段，液体聚集已到达某一临界值，即重力和惯性力克服表面张力，此时表面张力为驱动力使得液滴快速断裂，接触角θ增大、Dmin减小、L增大。实际的液体都具有粘性，粘性力能够减缓液滴的断裂。图4为高粘流体液滴的断裂过程，可以看出在液滴断裂时，液滴长度L远大于图3中低粘流体。除了流体的粘性，对于非牛顿流体来说，流变性、粘弹性、颗粒物等都会影响液滴的形成过程，相关的研究在高速摄像机的助推下得以更加广泛的展开中。

图2 液滴形成过程的描述

图3 液滴形成过程

图4 高粘流体液滴的形成过程

       除研究液滴的断裂这一局部现象外，在微流体喷射的全局研究中，高速摄像机亦有重要应用价值。在实际应用时，对喷射所得液滴体积的极ng确调控将直接关系产品品质的高低，所以研究各输入参数与液滴体积的相关性就显得尤为重要，而这一切的前提是对液滴体积的极ng确捕捉。

       目前无论是采用压电驱动式、热驱动式亦或是电流体喷射方法通常采用CCD相机配合频闪灯的方法来捕捉液滴，这种方法在稳定喷的前提下可以拍到帧率极高的照片（可达百万帧率）。但受限于照片是通过同一相对时刻数百次曝光叠加而成，无法得到极ng确的液体边界的图像，客观造成不可忽略的实验误差。在亚稳态和非稳态下，这种局限性就变得尤为突出。而CMOS高速摄像机因其拍摄原理不同，可直接将图像半导体产生的光电信号转变成数字信号，处理速度极快，纵使频率无法达到前者的高度，但在足够短的曝光时间可捕捉到更加明晰的液体边界，且支持亚稳态和非稳态下拍摄。CCD相机与千眼狼高速摄像机采集到的液体边界图对比如下（如图5）。

图5 两者对比（左CCD配合频闪、右千眼狼高速摄像机）

       作为一种GX极ng确的微小体积流体分配技术，微流体喷射技术未来的研究方向是数字化、质量的极ng准匹配，以及新型的微流体驱动方式，高速摄像机凭借超高的时空分辨率将成为科研人员实验装置不可或缺的一环。（作者华中科技大学：潘小龙）