一種微尺度下測量滑移速度的裝置與測量方法
【專利摘要】一種微尺度下測量滑移速度的裝置，包括用關(guān)系連接的微量氣體泵、氣壓表、微量注射泵、液體、矩形通道、高速攝像系統(tǒng)和水槽，矩形通道左側(cè)壁面為親水性的硅片一，右側(cè)有兩片硅片拼接組成，下側(cè)為親水硅片三，上側(cè)為疏水硅片二，矩形通道前后兩側(cè)為透明玻璃片，微量氣體泵向矩形通道內(nèi)送微量氣體，微量注射泵向矩形通道中注入液柱，高速攝像系統(tǒng)對通道內(nèi)攝像，對所攝圖像分析處理，分別測量液柱移動的兩個位置與硅片一和硅片二的接觸點之間的距離，及運動時間，用位移除以時間得出液柱在兩硅片面上的速度，兩硅片上的速度差就是液柱在硅片二上的滑移速度。有益效果是：實驗實施方便，后期處理簡單，實驗結(jié)果清晰易懂；重復性好；適用于微流體系統(tǒng)。
【專利說明】一種微尺度下測量滑移速度的裝置與測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微流體系統(tǒng)測量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及微流體系統(tǒng)滑移速度測量技術(shù)，特別涉及圖像法測量滑移速度技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微流體系統(tǒng)的發(fā)展，微尺度流動研究一直是人們所關(guān)注的課題，隨著微機械發(fā)展，微通道流場流動狀況越來越引起人們的重視，這些微通道的直徑往往從納米到微米級不等，受通道壁面引力和表面形貌的影響，微流體的運動特性有別于宏觀流道內(nèi)的液體流動特性，壁面邊界上的滑移速度已引起越來越多的關(guān)注。目前國內(nèi)外對疏水表面減阻機制的解釋普遍采用的是Navier提出的壁面滑移模型，即在流體流經(jīng)固體表面時存在一個滑移速度。但在疏水表面的流動滑移特性和滑移影響因素等問題上還一直存在著爭議，許多研究者采用不同的方法進行試驗，試圖探索減阻與滑移長度、表面能以及表面粗糙度的關(guān)系，目前還沒有形成統(tǒng)一的認識。測量滑移的常規(guī)方法是流量-壓降法，即在毛細管或者微通道的兩端給定壓力降，測量對應的流量，然后根據(jù)理論關(guān)系式間接得到滑移速度和滑移長度。此法的不足是:利用對宏觀量的測量來研究微觀現(xiàn)象，其精度受到一定影響。隨著流場定量可視化、粒子跟蹤測速、粒子圖像測速(ParticlelmageVelocity, PIV)等技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)中有了直接觀測超疏水表面對速度的影響的方法，這種方法的不足是:需要對數(shù)據(jù)和圖像進行大量分析，較為復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供一種微尺度下測量滑移速度的裝置與測量方法，使操作方便，且易于實現(xiàn)。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種微尺度下測量滑移速度的裝置，包括微量氣體泵、管系、氣壓表、微量注射泵、液體、矩形通道、高速攝像系統(tǒng)和水槽，其特征在于:所述矩形通道左側(cè)壁面為親水性的硅片一，右側(cè)壁面由兩片硅片在同一平面上下拼接組成，下側(cè)硅片為親水硅片三，上側(cè)硅片為疏水硅片二，疏水硅片二的長度為下側(cè)親水硅片三的2?4倍，矩形通道前后兩側(cè)壁為透明玻璃片，矩形通道左右兩側(cè)壁之間的的距離為0.1?10mm，矩形通道下端用管路與微量氣體泵連接，氣壓表連接在矩形通道與微量氣體泵連接的管路上，矩形通道上端用管路與水槽連接，所述微量注射泵與矩形通道連通，連通位置位于親水硅片三是中下部，微量注射泵與液體連通，所述高速攝像系統(tǒng)置于與矩形通道透明玻璃片相對的位置，攝像視窗位于疏水硅片二和親水硅片三的交界面處，視窗視野在疏水娃片二和親水娃片三交界面上下5mm。
[0005]本發(fā)明所述一種微尺度下測量滑移速度的裝置，其特征在于:所述矩形通道的長寬值為25mm*5mm。
[0006]本發(fā)明所述一種微尺度下測量滑移速度的裝置，其特征在于:所述微量氣體泵流量范圍為O?500ml/h ;所述連接管路的直徑為4mm ;所述氣壓表量程范圍為O?lOKpa。[0007]本發(fā)明所述一種微尺度下測量滑移速度的裝置，其特征在于:所述高速攝像系統(tǒng)的最小幀頻大于1000fp/S，內(nèi)存大于等于2Gb。
[0008]本發(fā)明所述一種微尺度下測量滑移速度的裝置的測量方法，其特征在于:所述測量方法如下:
[0009]I)打開微量氣體泵向矩形通道內(nèi)持續(xù)送微量氣體；
[0010]2)打開打開高速攝像系統(tǒng)對矩形通道內(nèi)攝像；
[0011]3)打開微量注射泵向矩形通道中注入液柱，液柱與矩形通道左右兩側(cè)壁面相接觸；
[0012]4)液柱在微量氣體推動下在矩形通道內(nèi)向上運動，高速攝像系統(tǒng)攝錄下矩形通道內(nèi)液柱運動圖像；
[0013]5)對所攝圖像分析處理，在圖像上設定液柱的位置I，位置I液柱與右側(cè)硅片的接觸點為D點，D點位于疏水硅片二和親水硅片三交界面處，位置I液柱與左側(cè)親水硅片一的上接觸點為A點，在圖像上設定液柱的位置II，位置II液柱的位于疏水硅片二和親水硅片三交界面上部，位置II處液柱上側(cè)氣液界面形狀處于初始穩(wěn)定不變狀態(tài)，位置II處液柱與左側(cè)親水硅片一的上接觸點為B點，位置II液柱與右側(cè)疏水硅片二的接觸點為C點，測量A點和B點、C點和D點之間的距離，高速攝像系統(tǒng)顯示的液柱由位置I運動到位置II的時間即為液柱由位置I運動到位置II的運動時間，分別用測量的A點和B點之間的距離、C點和D點之間的距離除以液柱由位置I運動到位置II的運動時間，分別得出液柱在親水硅片一和疏水硅片二兩壁面處的流動速度，用液柱在疏水硅片二上的流動速度減去液柱在親水硅片一上的流動速度即得到液柱在疏水硅片二處的滑移速度。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]1.用圖像法測量液柱在微通道壁面的滑移速度，實驗實施方便，后期處理簡單，實驗結(jié)果清晰易懂。
[0016]2.易于實現(xiàn)，重復性好。
[0017]3.適用于微流體系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的微尺度下測量滑移速度裝置示意圖。
[0019]圖2是測試過程示意圖。
[0020]圖3是測試實施例位置I圖像圖。
[0021]圖4是測試實施例位置II圖像圖。
[0022]圖中1.微量氣體泵，2.管系，3.氣壓表，4.微量注射泵，5.液體，6.液柱，7.矩形通道，8.親水硅片一，9.疏水硅片二，10.高速攝像系統(tǒng)，11.親水硅片三，12.水槽，13.B接觸點，14.位置II，15.A接觸點，16.位置I，17.C接觸點，18.交界面，19.D接觸點，dl、液柱在親水硅片一壁面移動的距離，d2、液柱在疏水硅片二壁面移動的距離。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行進一步地描述。
[0024]微尺度下測量滑移速度的裝置包括微量氣體泵1、管系2、氣壓表3、微量注射泵4、液體5、矩形通道7、高速攝像系統(tǒng)10和水槽12，矩形通道7左側(cè)壁面為親水性的硅片一 8，右側(cè)壁面由兩片硅片在同一平面上下拼接組成，下側(cè)硅片為親水硅片三11，上側(cè)硅片為疏水硅片二 9，疏水硅片二 9的長度為下側(cè)親水硅片三11的3倍，矩形通道前后兩側(cè)壁為透明玻璃片，矩形通道7左右兩側(cè)壁之間的的距離為Imm,矩形通道7的長寬值為25mm*5mm,矩形通道7下端用管路2與微量氣體泵I連接，微量氣體泵I流量范圍為O?500ml/h ;連接管路的直徑為4_ ;氣壓表3連接在矩形通道7與微量氣體泵I連接的管路上，氣壓表3量程范圍為O?lOKpa，矩形通道7上端用管路2與水槽10連接，所述微量注射泵4與矩形通道7連通，連通位置位于親水硅片三11是中下部，微量注射泵4與液體5連通，高速攝像系統(tǒng)10置于與矩形通道透明玻璃片相對的位置，攝像視窗位于疏水硅片二 9和親水硅片三11的交界面18處，視窗視野界面在疏水硅片二 9和親水硅片三11交界面18上下5mm，高速攝像系統(tǒng)10的最小幀頻大于1000fp/S，內(nèi)存大于等于2Gb。
[0025]測量方法如下:
[0026]I)打開微量氣體泵I向矩形通道7內(nèi)持續(xù)送微量氣體；
[0027]2)打開打開高速攝像系統(tǒng)10對矩形通道7內(nèi)攝像；
[0028]3)打開微量注射泵4向矩形通道7中注入液柱6，液柱6與矩形通道7左右兩側(cè)壁面相接觸；
[0029]4)液柱在微量氣體推動下在矩形通道內(nèi)向上運動，高速攝像系統(tǒng)10攝錄下矩形通道內(nèi)液柱6運動圖像；
[0030]5)對所攝圖像分析處理，在圖像上設定液柱的位置I，位置I液柱6與右側(cè)硅片的接觸點設為D點19，D點19位于疏水硅片二 9和親水硅片三11交界面18處，位置I液柱6與左側(cè)親水硅片一 8的上接觸點設為A點15，在圖像上設定液柱的位置II 14，位置II液柱14的位于疏水硅片二 9和親水硅片三11交界面18上部，位置II 14處液柱6上側(cè)氣液界面形狀處于初始穩(wěn)定不變狀態(tài)，位置II 14處液柱6與左側(cè)親水硅片一 8的上接觸點設為B點13，位置II 14液柱(6)與右側(cè)疏水硅片二 9的上接觸點設為C點17，測量A點15和B點13、C點17和D點19之間的距離，高速攝像系統(tǒng)8顯示的液柱6由位置I 16運動到位置II 14的時間即為液柱6由位置I 16運動到位置II 14的運動時間，分別用測量的A點15和B點13之間的距離、C點17和D點19之間的距離除以液柱6由位置I 16運動到位置II 14的運動時間，得出液柱6在親水硅片一 8和疏水硅片二 9兩壁面處的流動速度，用液柱6在疏水硅片二 9上的流動速度減去液柱6在親水硅片一 8上的流動速度即得到液柱在疏水硅片二 9上的滑移速度。
[0031]實際測量條件如下:微量氣體泵I的流量為500ml/h ;親水硅片一 8的長寬高為25*5*0.46，其接觸角為76° ;疏水硅片二 9的長寬高為20*5*0.46，其接觸角為152°，為超疏水表面；親水硅片三11的長寬高為5*5*0.46，其接觸角為76。;高速攝像系統(tǒng)的幀頻設置為1000fp/s。
[0032]實測結(jié)果是:A點15和B點13之間的距dl的長度為0.261mm, C點17和D點19之間的距離d2的長度為0.434mm,從位置I 16到位置II 14的時間間隔為0.023s,計算得至IJ，液柱在親水硅片一 8壁面速度為0.011m/s,液柱在疏水硅片二 9壁面速度為0.019m/s,用液柱在疏水硅片二 9壁面速度0.019m/s減去液柱在親水硅片一 8壁面速度0.011m/s,即
0.019-0.011=0.008，液柱在疏水硅片二 9壁面的滑移速度值為0.008m/s。
【權(quán)利要求】
1.一種微尺度下測量滑移速度的裝置，包括微量氣體泵(I)、管系(2)、氣壓表(3)、微量注射泵(4)、液體(5)、矩形通道(7)、高速攝像系統(tǒng)(10)和水槽(12)，其特征在于:所述矩形通道(7)左側(cè)壁面為親水性的硅片一(8)，右側(cè)壁面由兩片硅片在同一平面上下拼接組成，下側(cè)硅片為親水硅片三(11)，上側(cè)硅片為疏水硅片二(9)，疏水硅片二(9)的長度為下側(cè)親水硅片三(11)的2?4倍，矩形通道前后兩側(cè)壁為透明玻璃片，矩形通道(7)左右兩側(cè)壁之間的的距離為0.1?10mm，矩形通道(7)下端用管路(2)與微量氣體泵(I)連接，氣壓表(3 )連接在矩形通道(7 )與微量氣體泵(I)連接的管路上，矩形通道(7 )上端用管路(2 )與水槽(10 )連接，所述微量注射泵(4 )與矩形通道(7 )連通，連通位置位于親水硅片三(11)是中下部，微量注射泵(4)與液體(5)連通，所述高速攝像系統(tǒng)(10)置于與矩形通道透明玻璃片相對的位置，攝像視窗位于疏水硅片二(9)和親水硅片三(11)的交界面(18)處，視窗視野界面在疏水硅片二(9)和親水硅片三(11)交界面(18)上下5mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種微尺度下測量滑移速度的裝置，其特征在于:所述矩形通道(7)的長寬值為25mm*5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種微尺度下測量滑移速度的裝置，其特征在于:所述微量氣體泵(I)流量范圍為O?500ml/h ;所述連接管路的直徑為4mm ;所述氣壓表(3)量程范圍為 O ?IOKpa0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種微尺度下測量速度滑移的裝置，其特征在于:所述高速攝像系統(tǒng)(10)的最小幀頻大于1000fp/S，內(nèi)存大于等于2Gb。
5.權(quán)利要求1所述一種微尺度下測量滑移速度的裝置的測量方法，其特征在于:所述測量方法如下: .1)打開微量氣體泵(I)向矩形通道(7)內(nèi)持續(xù)送微量氣體； .2)打開打開高速攝像系統(tǒng)(10)對矩形通道(7)內(nèi)攝像； . 3 )打開微量注射泵(4 )向矩形通道(7 )中注入液柱(6 )，液柱(6 )與矩形通道(7 )左右兩側(cè)壁面相接觸； .4)液柱在微量氣體推動下在矩形通道內(nèi)向上運動，高速攝像系統(tǒng)(10)攝錄下矩形通道內(nèi)液柱(6)運動圖像； .5)對所攝圖像分析處理，在圖像上設定液柱的位置I，位置I液柱(6)與右側(cè)硅片的接觸點設為D點(19)，D點(19)位于疏水硅片二(9)和親水硅片三(11)交界面(18)處，位置I液柱(6)與左側(cè)親水硅片一(8)的上接觸點設為A點(15)，在圖像上設定液柱的位置II(14)，位置II液柱(14)的位于疏水硅片二(9)和親水硅片三(11)交界面(18)上部，位置II(14)處液柱(6)上側(cè)氣液界面形狀處于初始穩(wěn)定不變狀態(tài)，位置II (14)處液柱(6)與左側(cè)親水硅片一(8)的上接觸點設為B點(13)，位置II (14)液柱(6)與右側(cè)疏水硅片二(9)的接觸點設為C點(17)，測量A點(15)和B點(13)、C點(17)和D點(19)之間的距離，高速攝像系統(tǒng)(8)顯示的液柱(6)由位置I (16)運動到位置II (14)的時間即為液柱(6)由位置I (16)運動到位置II (14)的運動時間，分別用測量的A點(15)和B點(13)之間的距離、C點(17)和D點(19)之間的距離除以液柱(6)由位置I (16)運動到位置II (14)的運動時間，分別得出液柱(6 )在親水硅片一(8 )和疏水硅片二( 9 )兩壁面處的流動速度，用液柱(6 )在疏水硅片二(9)上的流動速度減去液柱(6)在親水硅片一(8)上的流動速度即得到液柱在疏水硅片二(9)處的滑移速度。
【文檔編號】G01P5/18GK103675332SQ201310737293
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】張會臣, 李小磊, 馬曉雯, 黃亞男 申請人:大連海事大學