电流体动力学微滴喷射及其视觉检测

论文摘要

微滴喷射技术作为少量液体样本施加技术得到了越来越多的关注,其应用领域已经从传统的喷墨打印领域扩展到科学技术领域,如微/纳米结构的制造,微电子封装和基因工程、3D打印、组合化学、生物工程、生物医药等。传统的微滴喷射技术包括热泡式、压电式、静电式、气动式等。但是,这些传统技术产生的微滴直径通常大于喷嘴直径,如希望得到更小的微滴,缩小喷嘴直径是最直接的途径。但是缩小喷嘴直径会使得液体难以喷出,且喷嘴容易堵塞。近年来,一种新型的微滴喷射技术——电流体动力学(Electrohydrodynamic,EHD)微滴喷射技术引起了研究者们的注意。与传统技术不同,这种技术主要是通过在喷嘴和收集板之间施加高压,利用电场力“拉伸”液体断裂,形成微滴。该技术能够喷射出远小于喷嘴直径的液滴,从而能够实现高分辨率喷印,并且不易堵塞喷嘴。因此本文将针对于这种技术进行深入研究。我们设计并搭建了一套EHD微滴喷射系统,实现了两种基于机器视觉的微滴喷射状态的检测方案:一种是基于高速相机实时监控微滴喷射状态,但该方法实验成本较高;另一种是基于收集板感应电流(感应电荷随时间变化率)信号触发低速相机拍照,这种方法不仅能够降低实验成本,还能有效地判断液滴喷射的稳定性。基于上述两种机器视觉检测方法进行实验,结果表明,液滴喷射过程存在三种常见状态:低频稳定状态、过渡状态、高频稳定状态。实验还发现,喷嘴处弯液面断裂临界时刻对应感应电流的极大值。基于这一结果,我们提出一种方法可粗略估计微滴滴落初速度和微滴大小,并将其作为判断微滴喷射稳定性的指标。本文将自主搭建的微滴喷射系统应用到细胞打印和同位素药物施加中。细胞打印实验中,细胞成活率高达96%。EHD微滴喷射技术还可精准施加放射性材料,制备用于放疗的放射性“籽源”。实验表明EHD微滴喷射技术是生物医疗领域极具前景的微量样本施加技术。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 微液滴喷射技术简介

1.2.1 热泡式

1.2.2 压电式

1.2.3 静电式

1.2.4 气动式

1.3 本研究课题的提出

1.3.1 电流体动力学喷射方式

1.3.2 电流体动力学喷射方式的研究现状

1.3.3 液滴视觉检测的重要性

1.4 论文主要内容

第2章喷射装置的原理与搭建

2.1 电流体动力学微滴喷射的原理

2.1.1 基本原理

2.1.2 存在模式

2.2 装置的搭建

2.2.1 供液系统

2.2.2 高压电源

2.2.3 接收装置

2.2.4 视觉检测系统

2.2.5 装置的整体测试

2.3 本章小结

第3章液滴喷射的视觉检测及实验分析

3.1 基于高速相机的视觉检测及分析

3.1.1 图像采集

3.1.2 图像处理

3.1.3 微滴（“间歇”射流）模式下的喷射状态

3.2 基于感应电流的检测与分析

3.2.1 电流放大电路的基本原理

3.2.2 触发拍照的方法

3.2.3 电流测量及其特征研究

3.2.4 基于电流测量的应用

3.3 本章小结

第4章电流体动力学喷射技术的应用

4.1 细胞打印

4.1.1 细胞培养

4.1.2 细胞活性分析

4.2 放射性材料的释放

4.2.1 实验准备

4.2.2 实验结果与讨论

4.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张海义

导师: 王志海

关键词: 微液滴喷射技术,电流体动力学,高速相机,电流放大电路,稳定性

来源: 北京工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,计算机软件及计算机应用

单位: 北京工业大学

分类号: O361.4;TP391.41

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000281

总页数: 57

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