CN106896046B - 跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测方法及装置。液滴向跨毫米‑微米‑纳米级尺度狭缝中的流动行为尚不存在监测装置。本发明的水平定位块和竖直定位块分别对被测样本水平、竖直定位；标准玻璃砖上的调整螺栓设定被测样本与标准玻璃砖间的狭缝形态和间隙；升降台调整注射器到预设高度得液滴进入狭缝的初速度；通过设置竖直定位块移动速度设置被测样本与标准玻璃砖在竖直方向的相对运动速度。向注射针筒中加入预定液体，进给机构使注射器滴落预定体积的液滴进入狭缝后渗流特性通过高速摄像机拍摄记录。本发明通过光学检测、微动控制方法实现了精密控制狭缝间距；利用高精度滑轨和高速摄像机实现了对相对运动狭缝中液滴流动状态的监测。
Description
技术领域
本发明属于渗流特性监测技术领域，特别涉及一种液滴向跨尺度运动狭缝中的渗流特性监测方法及装置。
背景技术
液滴向微纳狭缝中的流动行为在许多领域中都有出现。例如车削加工时切削液在刀具和切屑形成的狭缝中的渗流，这一渗流行为的状况会极大影响车削加工的质量。同样地，在焊接过程中，焊剂被融化并涂抹在两被连接件的连接狭缝上方，熔融金属在焊缝间的渗透如果渗入较深，是十分利于增加焊接强度的，这一渗透行为与切削液的渗透是类似的。微流体芯片和微流体装置中同样存在液滴向狭缝区域渗流的行为，流动的速度流量等情况关系到系统的相应速度和准确性。因此深入了解液体向狭缝中的渗流过程是十分必要的。
目前尚不存在相关的监测装置，如申请号专利号为2016108614655的发明专利公开了一种岩石拉压环剪渗流试验仪。该专利由加载装置、渗流装置和包括机座在内的相关支撑结构组成。该专利主要用于研究液体在岩石在综合受力后出现的裂隙中的渗流情况，狭缝方向与渗流方向垂直。这一专利由于研究对象是在岩石中的裂隙，无法实时观察渗流情况。并且这一装置产生的狭缝是随机不可控且保持相对静止的，不适用于本领域内规则可控且有相对运动的狭缝中渗流特性。申请号为CN201510278140.X的发明专利公开了一种感测装置及应用其的感测系统及感测方法。该专利关注微纳狭缝间液体样本的感测分析，包括狭缝结构和相应的化学检测传感器。该专利无法根据需要改变狭缝的形态和间隙，构成狭缝的材料不方便更换。同时它关注的主要是液体中的内含物而不是液体本身的流动情况，而且对于液体的初态无法控制，构成狭缝的两面同样保持相对静止，因此也不适用于本领域的相关研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可实现监视和检测液滴向跨尺度狭缝渗流特性的方法与装置。该方法是一种可实现液滴向跨原子、分子、纳米、微米和毫米级狭缝的渗流监测方法，是一种微米级精密伺服驱动针管的液滴发生方法及装置，是一种跨尺度狭缝构造和精密光干涉检测方法与装置，是一种跨尺度狭缝两表界面间相对运动可精密伺服驱动控制的方法与装置，是一种可监视和检测液滴渗流形态、速度、和深度等特性的方法及装置。
本发明跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测方法，具体如下：
将被测样本同时嵌入水平定位块的定位孔和竖直定位块的定位槽内；定位槽的底部开放且设有限位凸起；通过调整水平定位块水平位置对被测样本水平定位，通过调整竖直定位块的竖直位置对被测样本竖直定位；连接在标准玻璃砖顶端的调整螺栓配合激光干涉仪设定好被测样本与标准玻璃砖之间的狭缝形态和狭缝间隙。利用升降台调整注射器到预设高度得液滴进入狭缝的初速度。通过设置竖直定位块移动速度设置被测样本与标准玻璃砖在竖直方向的相对运动速度。设置完毕后，向注射针筒中加入预定液体，进给机构使注射器滴落预定体积的液滴，液滴进入狭缝后渗流特性通过高速摄像机拍摄记录。
所述的液滴渗流特性指液滴在狭缝间流动的形态、流动速度和在被测样本与标准玻璃砖相对运动条件下液滴渗入狭缝的最大深度。将高速摄像机拍摄的图像用图像处理的方法提取出液迹轮廓，即得到液滴的流动形态；比较相邻两帧图像液迹在水平方向上的距离变化，根据摄像机的每秒帧数即得到液滴在水平方向上的即时速度，同理得液滴在垂直方向上的即时速度。找到在垂直方向上液迹渗流最远的那一帧图像并测量最远点到标准玻璃板顶面的距离即是液滴渗入狭缝的最大深度。
本发明跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测装置，包括狭缝形态调整模块、微进给模块和检测监测模块。
所述的狭缝形态调整模块包括竖直滑块、竖直定位块、第一伺服电机、调整螺栓、标准玻璃砖、水平定位块、夹具、水平滑块、安装块和安装座；安装块固定在安装座一端；所述的水平丝杆两端通过轴承分别支承在安装块和安装座上；安装块上装有夹具；所述的标准玻璃砖安装在夹具上；标准玻璃砖顶端连接有调整螺栓；水平滑块与水平丝杆构成螺旋副；水平定位块固定在水平滑块顶部；所述的第一伺服电机驱动直线丝杠滑台的竖直丝杆；竖直滑块与竖直丝杆构成螺旋副；竖直定位块固定在竖直滑块上；所述的水平定位块开设定位孔，竖直定位块开设定位槽；定位孔的轴向竖直设置；定位槽的底部开放且设有限位凸起。
所述的微进给模块包括进给机构和升降台。所述的进给机构包括微动马达、微进给丝杆滑台、推板和注射器。所述的微动马达驱动微进给丝杆滑台的微进给丝杆；固定在微进给丝杆滑台的滑块上的推板设置在注射器的活塞杆顶部；所述的注射器被抱持装置抓紧并固定在微进给丝杆滑台的底板上。所述的升降台包括升降丝杆、升降滑块、升降板和支撑架；所述的升降丝杆与支撑架构成旋转副；升降滑块与升降丝杆构成螺旋副，升降板与升降滑块固定，微进给丝杆滑台的底板与升降板固定。
所述的检测监测模块包括激光干涉仪、高速摄像头和升降模组。所述的激光干涉仪和高速摄像头均正对标准玻璃砖；激光干涉仪和高速摄像头固定在升降模组的滑块上，升降模组的升降丝杆由第二伺服电机驱动。
所述的水平丝杆端部固定手柄。
所述的微进给丝杆滑台采用高精度丝杆滑台。
所述的注射器通过更换不同直径的针头来改变液滴体积。
所述的升降丝杆端部固定手轮。
所述的支撑架在竖直方向上标有刻度，抱持装置侧面设有指针。
本发明的有益效果：
本发明通过光学检测、微动控制方法实现了精密控制狭缝间距；利用高精度滑轨和高速摄像机实现了对相对运动狭缝中液滴流动状态的监测；通过对自由落体高度的控制实现了对液滴进入狭缝的初速度控制。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构立体图。
图2(a)、(b)、(c)分别为本发明装置中狭缝形态调整模块、微进给模块和检测监测模块的示意图。
图3为狭缝区域的局部放大图。
图4为液滴渗流示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测装置，包括狭缝形态调整模块1、微进给模块2和检测监测模块3。
如图2(a)所示，狭缝形态调整模块1包括竖直滑块1-1、竖直定位块1-2、第一伺服电机1-3、调整螺栓1-5、标准玻璃砖1-6、水平定位块1-7、夹具1-8、水平滑块1-9、手柄1-10、安装块1-11和安装座1-12；安装块1-11固定在安装座1-12一端；水平丝杆两端通过轴承分别支承在安装块1-11和安装座1-12上；水平丝杆端部固定手柄1-10；安装块1-11上装有夹具1-8；标准玻璃砖1-6安装在夹具1-8上；标准玻璃砖1-6顶端连接有调整螺栓1-5；水平滑块1-9与水平丝杆构成螺旋副；水平定位块1-7固定在水平滑块1-9顶部；第一伺服电机1-3驱动直线丝杠滑台的竖直丝杆；竖直滑块1-1与竖直丝杆构成螺旋副；竖直定位块1-2固定在竖直滑块1-1上；水平定位块1-7开设定位孔，竖直定位块1-2开设定位槽；定位孔的轴向竖直设置；定位槽的底部开放且设有限位凸起；被测样本1-4同时嵌入水平定位块1-7的定位孔和竖直定位块1-2的定位槽内；被测样本1-4与标准玻璃砖1-6相对设置，调整螺栓1-5用于调整标准玻璃砖1-6与被测样本1-4间狭缝的形状。狭缝表面微观结构中两真实表面的最大距离可以从毫米级到纳米级变化，即跨尺度狭缝，本发明探究狭缝尺度对液滴渗流的影响。
如图2(b)所示，微进给模块2包括进给机构和升降台。进给机构包括微动马达2-1、微进给丝杆滑台2-2、推板2-3和注射器2-5；微进给丝杆滑台2-2采用高精度丝杆滑台。微动马达2-1驱动微进给丝杆滑台2-2的微进给丝杆；固定在微进给丝杆滑台的滑块上的推板2-3设置在注射器的活塞杆顶部，推动注射器2-5的活塞杆，直至滴落一滴预定体积的液滴；注射器被抱持装置2-4抓紧并固定在微进给丝杆滑台2-2的底板上。升降台由升降丝杆2-10、手轮2-11、升降滑块2-9、升降板2-8和支撑架2-7组成；升降丝杆2-10与支撑架2-7构成旋转副；升降丝杆2-10端部固定手轮2-11；升降滑块2-9与升降丝杆2-10构成螺旋副，升降板2-8与升降滑块2-9固定，微进给丝杆滑台2-2的底板与升降板2-8固定；支撑架2-7在竖直方向上标有刻度，抱持装置侧面设有指针，指示注射器高度；通过升降台调整注射器到狭缝2-6的距离来改变液滴进入狭缝的初始条件。
如图2(c)所示，检测监测模块3包括激光干涉仪3-3、高速摄像头3-4和升降模组3-1。激光干涉仪3-3正对标准玻璃砖，用于测量标准玻璃砖和被测样本形成的狭缝在光线上的间隙。高速摄像头3-4同样正对标准玻璃砖，用于观察、记录液滴在狭缝中的渗流特性。激光干涉仪和高速摄像头固定在升降模组3-1的滑块上，升降模组的升降丝杆由第二伺服电机3-2驱动。
如图3所示为狭缝局部放大图。本装置可实现对平行狭缝和楔形狭缝间液滴渗流特性的监测。平行狭缝采用竖直定位块1-2和水平定位块1-7实现，狭缝距离通过激光干涉仪观察，不断旋转手柄1-10直至达到预定间隙距离。楔形狭缝夹角的变化通过调整螺栓1-5旋进、旋出来控制。
下面具体解释如何利用本装置完成各参量对液滴向狭缝的渗流特性的检测：
将被测样本1-4同时嵌入水平定位块1-7的定位孔和竖直定位块1-2的定位槽内；定位槽的底部开放且设有限位凸起；通过调整水平定位块1-7水平位置对被测样本1-4水平定位，通过调整竖直定位块1-2的竖直位置对被测样本1-4竖直定位；连接在标准玻璃砖1-6顶端的调整螺栓1-5配合激光干涉仪设定好被测样本1-4与标准玻璃砖1-6之间的狭缝形态和狭缝间隙。利用升降台调整注射器到预设高度得液滴进入狭缝的初速度。通过设置竖直定位块1-2移动速度设置被测样本1-4与标准玻璃砖1-6在竖直方向y的相对运动速度。设置完毕后，向注射针筒中加入预定液体，进给机构使注射器滴落预定体积的液滴，液滴进入狭缝后渗流特性通过高速摄像机拍摄记录。
下面说明如何处理高速摄像机拍摄的画面得到液滴渗流特性。本发明中的液滴渗流特性具体是指液滴在狭缝间流动的形态、流动速度和在被测样本1-4与标准玻璃砖1-6相对运动条件下液滴渗入狭缝的最大深度。将高速摄像机拍摄的图像用图像处理的方法提取出液迹轮廓，即得到液滴的流动形态，高速摄像机拍摄的某帧图像中提取出来的液迹S如图4所示。比较相邻两帧图像液迹在水平方向上的距离变化，根据摄像机的每秒帧数即可得到液滴在水平方向上的即时速度，同理可得液滴在垂直方向上的即时速度。找到在垂直方向上液迹渗流最远的那一帧图像并测量最远点到标准玻璃板顶面的距离即是液滴渗入狭缝的最大深度。
Claims (7)
1.跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测方法，其特征在于：该方法采用的监测装置包括狭缝形态调整模块、微进给模块和检测监测模块；
所述的狭缝形态调整模块包括竖直滑块、竖直定位块、第一伺服电机、调整螺栓、标准玻璃砖、水平定位块、夹具、水平滑块、安装块和安装座；安装块固定在安装座一端；所述的水平丝杆两端通过轴承分别支承在安装块和安装座上；安装块上装有夹具；所述的标准玻璃砖安装在夹具上；标准玻璃砖顶端连接有调整螺栓；水平滑块与水平丝杆构成螺旋副；水平定位块固定在水平滑块顶部；所述的第一伺服电机驱动直线丝杠滑台的竖直丝杆；竖直滑块与竖直丝杆构成螺旋副；竖直定位块固定在竖直滑块上；所述的水平定位块开设定位孔，竖直定位块开设定位槽；定位孔的轴向竖直设置；定位槽的底部开放且设有限位凸起；
所述的微进给模块包括进给机构和升降台；所述的进给机构包括微动马达、微进给丝杆滑台、推板和注射器；所述的微动马达驱动微进给丝杆滑台的微进给丝杆；固定在微进给丝杆滑台的滑块上的推板设置在注射器的活塞杆顶部；所述的注射器被抱持装置抓紧并固定在微进给丝杆滑台的底板上；所述的升降台包括升降丝杆、升降滑块、升降板和支撑架；所述的升降丝杆与支撑架构成旋转副；升降滑块与升降丝杆构成螺旋副，升降板与升降滑块固定，微进给丝杆滑台的底板与升降板固定；
所述的检测监测模块包括激光干涉仪、高速摄像头和升降模组；所述的激光干涉仪和高速摄像头均正对标准玻璃砖；激光干涉仪和高速摄像头固定在升降模组的滑块上，升降模组的升降丝杆由第二伺服电机驱动；
该方法具体如下：
将被测样本同时嵌入水平定位块的定位孔和竖直定位块的定位槽内；定位槽的底部开放且设有限位凸起；通过调整水平定位块水平位置对被测样本水平定位，通过调整竖直定位块的竖直位置对被测样本竖直定位；连接在标准玻璃砖顶端的调整螺栓配合激光干涉仪设定好被测样本与标准玻璃砖之间的狭缝形态和狭缝间隙；利用升降台调整注射器到预设高度得液滴进入狭缝的初速度；通过设置竖直定位块移动速度设置被测样本与标准玻璃砖在竖直方向的相对运动速度；设置完毕后，向注射针筒中加入预定液体，进给机构使注射器滴落预定体积的液滴，液滴进入狭缝后渗流特性通过高速摄像机拍摄记录；
所述的液滴渗流特性指液滴在狭缝间流动的形态、流动速度和在被测样本与标准玻璃砖相对运动条件下液滴渗入狭缝的最大深度；将高速摄像机拍摄的图像用图像处理的方法提取出液迹轮廓，即得到液滴的流动形态；比较相邻两帧图像液迹在水平方向上的距离变化，根据摄像机的每秒帧数即得到液滴在水平方向上的即时速度，同理得液滴在垂直方向上的即时速度；找到在垂直方向上液迹渗流最远的那一帧图像并测量最远点到标准玻璃板顶面的距离即是液滴渗入狭缝的最大深度。
2.跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测装置，其特征在于：包括狭缝形态调整模块、微进给模块和检测监测模块；
所述的狭缝形态调整模块包括竖直滑块、竖直定位块、第一伺服电机、调整螺栓、标准玻璃砖、水平定位块、夹具、水平滑块、安装块和安装座；安装块固定在安装座一端；所述的水平丝杆两端通过轴承分别支承在安装块和安装座上；安装块上装有夹具；所述的标准玻璃砖安装在夹具上；标准玻璃砖顶端连接有调整螺栓；水平滑块与水平丝杆构成螺旋副；水平定位块固定在水平滑块顶部；所述的第一伺服电机驱动直线丝杠滑台的竖直丝杆；竖直滑块与竖直丝杆构成螺旋副；竖直定位块固定在竖直滑块上；所述的水平定位块开设定位孔，竖直定位块开设定位槽；定位孔的轴向竖直设置；定位槽的底部开放且设有限位凸起；
所述的微进给模块包括进给机构和升降台；所述的进给机构包括微动马达、微进给丝杆滑台、推板和注射器；所述的微动马达驱动微进给丝杆滑台的微进给丝杆；固定在微进给丝杆滑台的滑块上的推板设置在注射器的活塞杆顶部；所述的注射器被抱持装置抓紧并固定在微进给丝杆滑台的底板上；所述的升降台包括升降丝杆、升降滑块、升降板和支撑架；所述的升降丝杆与支撑架构成旋转副；升降滑块与升降丝杆构成螺旋副，升降板与升降滑块固定，微进给丝杆滑台的底板与升降板固定；
所述的检测监测模块包括激光干涉仪、高速摄像头和升降模组；所述的激光干涉仪和高速摄像头均正对标准玻璃砖；激光干涉仪和高速摄像头固定在升降模组的滑块上，升降模组的升降丝杆由第二伺服电机驱动。
3.根据权利要求2所述的跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测装置，其特征在于：所述的水平丝杆端部固定手柄。
4.根据权利要求2所述的跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测装置，其特征在于：所述的微进给丝杆滑台采用高精度丝杆滑台。
5.根据权利要求2所述的跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测装置，其特征在于：所述的注射器通过更换不同直径的针头来改变液滴体积。
6.根据权利要求2所述的跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测装置，其特征在于：所述的升降丝杆端部固定手轮。
7.根据权利要求2所述的跨尺度运动狭缝的液滴渗流特性监测装置，其特征在于：所述的支撑架在竖直方向上标有刻度，抱持装置侧面设有指针。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |