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CN109999932B - 基于气动驱动的微液滴产生装置及其调控微液滴尺寸的方法 - Google Patents

基于气动驱动的微液滴产生装置及其调控微液滴尺寸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于气动驱动的微液滴产生装置及其调控微液滴尺寸的方法，主要应用于精准生物医学微量样品施加、生物3D打印等领域。单一高速电磁阀控制气压的开启时间，调压阀用于控制气压压强的强度，单一储液腔用于储存液体，单一储液腔底部设有单一微孔与喷嘴相连接；微孔孔径的中心对准单一储液腔的中心。单一高速电磁阀开启，则在单一储液腔内产生亥姆霍兹振荡，单一储液腔内的压强迅速振荡并衰减，随后3‑4个周期储液腔内压强会低于大气压，最后单一储液腔体内外气压会趋于平衡。本发明通过CCD相机监测喷射出的微液滴尺寸，确定需求的微液滴尺寸，能够会减小相应的设备成本，同时减少了更换喷嘴带来的装置的不灵活性。

Description

基于气动驱动的微液滴产生装置及其调控微液滴尺寸的方法
技术领域
本发明涉及依托气动驱动的微液滴产生装置，通过调整装置中的电磁阀的开启时间，实现调节微液滴尺寸的控制技术，主要应用于精准生物医学微量样品施加、生物3D打印等领域。
背景技术
随着生物技术的发展，微液滴产生装置被设计实现，且在生物领域应用范围越来越广泛。常见的喷射方式主要有压电驱动喷射、热泡驱动喷射、气动驱动喷射等，其中基于气动驱动的微液滴产生装置以能够实现较高粘度液体的喷射、对生物医学样本活性影响小以及细胞喷射的成活率高等优点而得到广泛应用。在基于气动的微液滴产生装置的实际应用中，通常会根据需求喷射出不同尺寸的微液滴，常见的做法是更换不同直径的微孔的喷嘴，以达到喷射出需求中的不同尺寸的微液滴。按照这种做法，备用若干不同型号的喷嘴会增加相应的装置成本，并且更换喷嘴也增加装置的不灵活性。
发明内容
本发明中依托的微液滴产生装置是基于气动驱动的，基于气动驱动的微液滴产生装置，该装置由单一储液腔6、单一高速电磁阀2、调压阀3、进气路径4、排气路径1、喷嘴9、压力传感器7、CCD相机8、LED灯10和加液孔5组成；调压阀3通过进气路径4与单一高速电磁阀2连接，单一高速电磁阀2与排气路径1垂直连接；排气路径1设置在单一储液腔6的顶部，单一储液腔6的侧部设有压力传感器7；喷嘴9设置在单一储液腔6的底部，CCD相机8和LED灯 10相对布置在喷嘴9的底部两侧；加液孔5设置在单一储液腔6顶部一侧。
单一高速电磁阀2控制气压的开启时间，调压阀3用于控制气压压强的强度，单一储液腔6用于储存液体，单一储液腔6底部设有单一微孔与喷嘴9相连接；微孔孔径的中心对准单一储液腔6的中心。单一高速电磁阀2开启，则在单一储液腔6内产生亥姆霍兹振荡，单一储液腔6内的压强迅速振荡并衰减，随后3-4个周期储液腔内压强会低于大气压，最后单一储液腔6体内外气压会趋于平衡。正压使液体从喷嘴9喷出形成液带；而负压有助于液带断裂形成液滴，并促使未断裂的液带重新返回单一储液腔6内，从而减少微型 液滴的产生。喷射工作原理是利用单一高速电磁阀2产生气压脉冲进入单一储液腔6，挤压单一储液腔6内液体喷出喷嘴，形成微液滴，从喷嘴9中喷射出的微液滴的直径大于喷嘴9微孔的直径。喷嘴9的喷孔直径在几十微米至几百微米之间。
在喷嘴9的微孔直径不变的情况下，在喷射过程中，改变单一电磁阀2的开启时间，从0ms开始增加，调节调压阀3改变气压强度(实验中气压强度的改变几乎不影响微液滴的尺寸)，使在微液滴产生装置能够喷射出微液滴，并且喷射状态稳定，如果在一个喷射周期内能够喷射出单个微液滴，此时的开启时间为阈值时间T。在一定范围内的开启时间，当开启时间高于阈值时间T时，随着开启时间的增加，微液滴的尺寸也随着增加。当开启时间超过这个范围时，在一个周期内会在喷嘴处喷射出一段水柱或者在微孔处堆积形成，而不是微液滴，所以同一个喷嘴能够喷出的微液滴的尺寸是有一定范围的。
在喷射微液滴之前，设定合适气压压强以及开启时间为0ms，利用CCD相机8监测产生的微液滴的状态，如果CCD相机8内未监测出微液滴图像则控制程序自动增加电磁阀2的开启时间，如果CCD 相机8监测到单个微液滴图像，通过图像处理程序计算出的微液滴的尺寸，如果微液滴尺寸小于实际需求的尺寸则增加开启时间，反之则减小开启时间，直到达到符合实际需求尺寸。
单一电磁阀2开启时间t对液滴直径的影响的实际测量图，其中实验中喷嘴9的微孔直径约为200μm，喷射频率为20Hz，单一电磁阀2前端的气压为45KPa。t＝0.5ms时，液滴直径约370μm，与喷口直径的比例约1.84。随着t的增加，液滴直径显著增加。对应t＝2ms，液滴直径约670μm。单一电磁阀2前端气压P对液滴直径的影响可以忽略，但是会影响微液滴的喷射速度。改变t提供大范围调节液滴直径的可行方案。
具体的调控微液滴尺寸的实施步骤如下：
S1：选择合适尺寸的喷嘴，装配到微液滴产生装置，利用加液孔 5添加喷射液体，设置电磁阀2的初始开启时间为0ms，在系统的图像处理程序中设定需求的微液滴的尺寸；
S2：调节调压阀选择适当的气压压强，运行整个微液滴产生装置；
S3：CCD相机8采集到产生的微液滴，利用系统的图像处理程序判断产生的是否为单液滴，如果产生的微液滴是多个液滴，则暂停整个装置，调节调压阀减小气压压强，然后再次运行整个微液滴产生装置，依次类推，直到产生单液滴；如果为单液滴，图像处理程序自动计算出微液滴的尺寸，与需求的尺寸相比较，如果微液滴尺寸小于实际需求的尺寸则增加开启时间，反之则减小开启时间，直到达到符合实际需求尺寸。
S4：观察上位机中利用图像处理程序计算出的微液滴尺寸，根据显示结果判断微液滴产生装置是否达到稳定状态。
本发明致力于提出一种在不更换喷嘴的情况下，调节电磁阀2的开启时间产生具有一定范围的尺寸的微液滴，并且通过CCD相机8 监测喷射出的微液滴尺寸的方法，确定需求的微液滴尺寸，该方法会减小相应的设备成本，同时减少了更换喷嘴带来的装置的不灵活性。
附图说明
图1为微液滴产生装置示意图。
图2为电磁阀的开启时间1.35ms时储液腔内的亥姆霍兹振荡实测波形图。
图3为微孔径为200ums时不同的电磁阀开启时间产生液滴尺寸实测图。
具体实施方式
微液滴产生装置如图1所示，它由单一储液腔6、单一高速电磁阀2、调压阀3、进气路径4、排气路径1、喷嘴9、压力传感器7、CCD相机8、LED灯10和加液孔5组成；其中储液腔6用来储存液体，电磁阀2用来控制气压的开启与关断，调压阀3调节气压压强，压力传感器7监测储液腔内压强，CCD相机8监测微液滴，并利用图像处理程序计算出微液滴的尺寸，根据计算出的尺寸调整电磁阀2 的开始时间，LED灯10给CCD相机8提供光源，加液孔5用来往储液腔内注入液体。
具体的调控微液滴尺寸的实施步骤如下：
S1：选择合适尺寸的喷嘴，装配到微液滴产生装置，利用加液孔 5添加喷射液体，设置电磁阀2的初始开启时间为0ms，在系统的图像处理程序中设定需求的微液滴的尺寸；
S2：调节调压阀选择适当的气压压强，运行整个微液滴产生装置；
S3：CCD相机8采集到产生的微液滴，利用系统的图像处理程序判断产生的是否为单液滴，如果产生的微液滴是多个液滴，则暂停整个装置，调节调压阀减小气压压强，然后再次运行整个微液滴产生装置，依次类推，直到产生单液滴；如果为单液滴，图像处理程序自动计算出微液滴的尺寸，与需求的尺寸相比较，如果微液滴尺寸小于实际需求的尺寸则增加开启时间，反之则减小开启时间，直到达到符合实际需求尺寸。
S4：观察上位机中利用图像处理程序计算出的微液滴尺寸，根据显示结果判断微液滴产生装置是否达到稳定状态。
通过一系列实验得出如图3所示的不同开启时间下微液滴产生装置产生微液滴尺寸的实验图。

Claims (3)

1.基于气动驱动的调控微液滴尺寸的方法，该方法依托的微液滴产生装置是基于气动驱动的，微液滴产生装置由单一储液腔(6)、单一高速电磁阀(2)、调压阀(3)、进气路径(4)、排气路径(1)、喷嘴(9)、压力传感器(7)、CCD相机(8)、LED灯(10)和加液孔(5)组成；调压阀(3)通过进气路径(4)与单一高速电磁阀(2)连接，单一高速电磁阀(2)与排气路径(1)垂直连接；排气路径(1)设置在单一储液腔(6)的顶部，单一储液腔(6)的侧部设有压力传感器(7)；喷嘴(9)设置在单一储液腔(6)的底部，CCD相机(8)和LED灯(10)相对布置在喷嘴(9)的底部两侧；加液孔(5)设置在单一储液腔(6)顶部一侧；
其特征在于：单一高速电磁阀(2)控制气压的开启时间，调压阀(3)用于控制气压压强的强度，单一储液腔(6)用于储存液体，单一储液腔(6)底部设有单一微孔与喷嘴(9)相连接；微孔孔径的中心对准单一储液腔(6)的中心；单一高速电磁阀(2)开启，则在单一储液腔(6)内产生亥姆霍兹振荡，单一储液腔(6)内的压强迅速振荡并衰减，随后3-4个周期储液腔内压强会低于大气压，最后单一储液腔(6)体内外气压会趋于平衡；正压使液体从喷嘴(9)喷出形成液带；而负压有助于液带断裂形成液滴，并促使未断裂的液带重新返回单一储液腔(6)内，从而减少微型 液滴的产生；喷射工作原理是利用单一高速电磁阀(2)产生气压脉冲进入单一储液腔(6)，挤压单一储液腔(6)内液体喷出喷嘴，形成微液滴，从喷嘴(9)中喷射出的微液滴的直径大于喷嘴(9)微孔的直径；喷嘴(9)的喷孔直径在几十微米至几百微米之间；
在喷嘴(9)的微孔直径不变的情况下，在喷射过程中，改变单一高速电磁阀(2)的开启时间，从0ms开始增加，调节调压阀(3)改变气压强度，使在微液滴产生装置能够喷射出微液滴，并且喷射状态稳定，如果在一个喷射周期内能够喷射出单个微液滴，此时的开启时间为阈值时间T；在一定范围内的开启时间，当开启时间高于阈值时间T时，随着开启时间的增加，微液滴的尺寸也随着增加；当开启时间超过这个范围时，在一个周期内会在喷嘴处喷射出一段水柱或者在微孔处堆积形成，而不是微液滴，所以同一个喷嘴能够喷出的微液滴的尺寸是有一定范围的。
2.根据权利要求1所述的基于气动驱动的调控微液滴尺寸的方法，其特征在于：在喷射微液滴之前，设定合适气压压强以及开启时间为0ms，利用CCD相机(8)监测产生的微液滴的状态，如果CCD相机(8)内未监测出微液滴图像则控制程序自动增加单一高速电磁阀(2)的开启时间，如果CCD相机(8)监测到单个微液滴图像，通过图像处理程序计算出的微液滴的尺寸，如果微液滴尺寸小于实际需求的尺寸则增加开启时间，反之则减小开启时间，直到达到符合实际需求尺寸。
3.根据权利要求1所述的基于气动驱动的调控微液滴尺寸的方法，其特征在于：具体的调控微液滴尺寸的实施步骤如下：
S1：选择合适尺寸的喷嘴，装配到微液滴产生装置，利用加液孔(5)添加喷射液体，设置电磁阀(2)的初始开启时间为0ms，在系统的图像处理程序中设定需求的微液滴的尺寸；
S2：调节调压阀选择适当的气压压强，运行整个微液滴产生装置；
S3：CCD相机(8)采集到产生的微液滴，利用系统的图像处理程序判断产生的是否为单液滴，如果产生的微液滴是多个液滴，则暂停整个装置，调节调压阀减小气压压强，然后再次运行整个微液滴产生装置，依次类推，直到产生单液滴；如果为单液滴，图像处理程序自动计算出微液滴的尺寸，与需求的尺寸相比较，如果微液滴尺寸小于实际需求的尺寸则增加开启时间，反之则减小开启时间，直到达到符合实际需求尺寸；
S4：观察上位机中利用图像处理程序计算出的微液滴尺寸，根据显示结果判断微液滴产生装置是否达到稳定状态。
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