本發(fā)明屬于滲流特性監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種液滴向跨尺度運動狹縫中的滲流特性監(jiān)測方法及裝置。

背景技術(shù)：

液滴向微納狹縫中的流動行為在許多領(lǐng)域中都有出現(xiàn)。例如車削加工時切削液在刀具和切屑形成的狹縫中的滲流，這一滲流行為的狀況會極大影響車削加工的質(zhì)量。同樣地，在焊接過程中，焊劑被融化并涂抹在兩被連接件的連接狹縫上方，熔融金屬在焊縫間的滲透如果滲入較深，是十分利于增加焊接強(qiáng)度的，這一滲透行為與切削液的滲透是類似的。微流體芯片和微流體裝置中同樣存在液滴向狹縫區(qū)域滲流的行為，流動的速度流量等情況關(guān)系到系統(tǒng)的相應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。因此深入了解液體向狹縫中的滲流過程是十分必要的。

目前尚不存在相關(guān)的監(jiān)測裝置，如申請?zhí)枌＠枮?016108614655的發(fā)明專利公開了一種巖石拉壓環(huán)剪滲流試驗儀。該專利由加載裝置、滲流裝置和包括機(jī)座在內(nèi)的相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)組成。該專利主要用于研究液體在巖石在綜合受力后出現(xiàn)的裂隙中的滲流情況，狹縫方向與滲流方向垂直。這一專利由于研究對象是在巖石中的裂隙，無法實時觀察滲流情況。并且這一裝置產(chǎn)生的狹縫是隨機(jī)不可控且保持相對靜止的，不適用于本領(lǐng)域內(nèi)規(guī)則可控且有相對運動的狹縫中滲流特性。申請?zhí)枮镃N201510278140.X的發(fā)明專利公開了一種感測裝置及應(yīng)用其的感測系統(tǒng)及感測方法。該專利關(guān)注微納狹縫間液體樣本的感測分析，包括狹縫結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的化學(xué)檢測傳感器。該專利無法根據(jù)需要改變狹縫的形態(tài)和間隙，構(gòu)成狹縫的材料不方便更換。同時它關(guān)注的主要是液體中的內(nèi)含物而不是液體本身的流動情況，而且對于液體的初態(tài)無法控制，構(gòu)成狹縫的兩面同樣保持相對靜止，因此也不適用于本領(lǐng)域的相關(guān)研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可實現(xiàn)監(jiān)視和檢測液滴向跨尺度狹縫滲流特性的方法與裝置。該方法是一種可實現(xiàn)液滴向跨原子、分子、納米、微米和毫米級狹縫的滲流監(jiān)測方法，是一種微米級精密伺服驅(qū)動針管的液滴發(fā)生方法及裝置，是一種跨尺度狹縫構(gòu)造和精密光干涉檢測方法與裝置，是一種跨尺度狹縫兩表界面間相對運動可精密伺服驅(qū)動控制的方法與裝置，是一種可監(jiān)視和檢測液滴滲流形態(tài)、速度、和深度等特性的方法及裝置。

本發(fā)明跨尺度運動狹縫的液滴滲流特性監(jiān)測方法，具體如下：

將被測樣本同時嵌入水平定位塊的定位孔和豎直定位塊的定位槽內(nèi)；定位槽的底部開放且設(shè)有限位凸起；通過調(diào)整水平定位塊水平位置對被測樣本水平定位，通過調(diào)整豎直定位塊的豎直位置對被測樣本豎直定位；連接在標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚頂端的調(diào)整螺栓配合激光干涉儀設(shè)定好被測樣本與標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚之間的狹縫形態(tài)和狹縫間隙。利用升降臺調(diào)整注射器到預(yù)設(shè)高度得液滴進(jìn)入狹縫的初速度。通過設(shè)置豎直定位塊移動速度設(shè)置被測樣本與標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚在豎直方向的相對運動速度。設(shè)置完畢后，向注射針筒中加入預(yù)定液體，進(jìn)給機(jī)構(gòu)使注射器滴落預(yù)定體積的液滴，液滴進(jìn)入狹縫后滲流特性通過高速攝像機(jī)拍攝記錄。

所述的液滴滲流特性指液滴在狹縫間流動的形態(tài)、流動速度和在被測樣本與標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚相對運動條件下液滴滲入狹縫的最大深度。將高速攝像機(jī)拍攝的圖像用圖像處理的方法提取出液跡輪廓，即得到液滴的流動形態(tài)；比較相鄰兩幀圖像液跡在水平方向上的距離變化，根據(jù)攝像機(jī)的每秒幀數(shù)即得到液滴在水平方向上的即時速度，同理得液滴在垂直方向上的即時速度。找到在垂直方向上液跡滲流最遠(yuǎn)的那一幀圖像并測量最遠(yuǎn)點到標(biāo)準(zhǔn)玻璃板頂面的距離即是液滴滲入狹縫的最大深度。

本發(fā)明跨尺度運動狹縫的液滴滲流特性監(jiān)測裝置，包括狹縫形態(tài)調(diào)整模塊、微進(jìn)給模塊和檢測監(jiān)測模塊。

所述的狹縫形態(tài)調(diào)整模塊包括豎直滑塊、豎直定位塊、第一伺服電機(jī)、調(diào)整螺栓、標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚、水平定位塊、夾具、水平滑塊、安裝塊和安裝座；安裝塊固定在安裝座一端；所述的水平絲桿兩端通過軸承分別支承在安裝塊和安裝座上；安裝塊上裝有夾具；所述的標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚安裝在夾具上；標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚頂端連接有調(diào)整螺栓；水平滑塊與水平絲桿構(gòu)成螺旋副；水平定位塊固定在水平滑塊頂部；所述的第一伺服電機(jī)驅(qū)動直線絲杠滑臺的豎直絲桿；豎直滑塊與豎直絲桿構(gòu)成螺旋副；豎直定位塊固定在豎直滑塊上；所述的水平定位塊開設(shè)定位孔，豎直定位塊開設(shè)定位槽；定位孔的軸向豎直設(shè)置；定位槽的底部開放且設(shè)有限位凸起。

所述的微進(jìn)給模塊包括進(jìn)給機(jī)構(gòu)和升降臺。所述的進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括微動馬達(dá)、微進(jìn)給絲桿滑臺、推板和注射器。所述的微動馬達(dá)驅(qū)動微進(jìn)給絲桿滑臺的微進(jìn)給絲桿；固定在微進(jìn)給絲桿滑臺的滑塊上的推板設(shè)置在注射器的活塞桿頂部；所述的注射器被抱持裝置抓緊并固定在微進(jìn)給絲桿滑臺的底板上。所述的升降臺包括升降絲桿、升降滑塊、升降板和支撐架；所述的升降絲桿與支撐架構(gòu)成旋轉(zhuǎn)副；升降滑塊與升降絲桿構(gòu)成螺旋副，升降板與升降滑塊固定，微進(jìn)給絲桿滑臺的底板與升降板固定。

所述的檢測監(jiān)測模塊包括激光干涉儀、高速攝像頭和升降模組。所述的激光干涉儀和高速攝像頭均正對標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚；激光干涉儀和高速攝像頭固定在升降模組的滑塊上，升降模組的升降絲桿由第二伺服電機(jī)驅(qū)動。

所述的水平絲桿端部固定手柄。

所述的微進(jìn)給絲桿滑臺采用高精度絲桿滑臺。

所述的注射器通過更換不同直徑的針頭來改變液滴體積。

所述的升降絲桿端部固定手輪。

所述的支撐架在豎直方向上標(biāo)有刻度，抱持裝置側(cè)面設(shè)有指針。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過光學(xué)檢測、微動控制方法實現(xiàn)了精密控制狹縫間距；利用高精度滑軌和高速攝像機(jī)實現(xiàn)了對相對運動狹縫中液滴流動狀態(tài)的監(jiān)測；通過對自由落體高度的控制實現(xiàn)了對液滴進(jìn)入狹縫的初速度控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)立體圖。

圖2(a)、(b)、(c)分別為本發(fā)明裝置中狹縫形態(tài)調(diào)整模塊、微進(jìn)給模塊和檢測監(jiān)測模塊的示意圖。

圖3為狹縫區(qū)域的局部放大圖。

圖4為液滴滲流示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

如圖1所示，跨尺度運動狹縫的液滴滲流特性監(jiān)測裝置，包括狹縫形態(tài)調(diào)整模塊1、微進(jìn)給模塊2和檢測監(jiān)測模塊3。

如圖2(a)所示，狹縫形態(tài)調(diào)整模塊1包括豎直滑塊1-1、豎直定位塊1-2、第一伺服電機(jī)1-3、調(diào)整螺栓1-5、標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚1-6、水平定位塊1-7、夾具1-8、水平滑塊1-9、手柄1-10、安裝塊1-11和安裝座1-12；安裝塊1-11固定在安裝座1-12一端；水平絲桿兩端通過軸承分別支承在安裝塊1-11和安裝座1-12上；水平絲桿端部固定手柄1-10；安裝塊1-11上裝有夾具1-8；標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚1-6安裝在夾具1-8上；標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚1-6頂端連接有調(diào)整螺栓1-5；水平滑塊1-9與水平絲桿構(gòu)成螺旋副；水平定位塊1-7固定在水平滑塊1-9頂部；第一伺服電機(jī)1-3驅(qū)動直線絲杠滑臺的豎直絲桿；豎直滑塊1-1與豎直絲桿構(gòu)成螺旋副；豎直定位塊1-2固定在豎直滑塊1-1上；水平定位塊1-7開設(shè)定位孔，豎直定位塊1-2開設(shè)定位槽；定位孔的軸向豎直設(shè)置；定位槽的底部開放且設(shè)有限位凸起；被測樣本1-4同時嵌入水平定位塊1-7的定位孔和豎直定位塊1-2的定位槽內(nèi)；被測樣本1-4與標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚1-6相對設(shè)置，調(diào)整螺栓1-5用于調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚1-6與被測樣本1-4間狹縫的形狀。狹縫表面微觀結(jié)構(gòu)中兩真實表面的最大距離可以從毫米級到納米級變化，即跨尺度狹縫，本發(fā)明探究狹縫尺度對液滴滲流的影響。

如圖2(b)所示，微進(jìn)給模塊2包括進(jìn)給機(jī)構(gòu)和升降臺。進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括微動馬達(dá)2-1、微進(jìn)給絲桿滑臺2-2、推板2-3和注射器2-5；微進(jìn)給絲桿滑臺2-2采用高精度絲桿滑臺。微動馬達(dá)2-1驅(qū)動微進(jìn)給絲桿滑臺2-2的微進(jìn)給絲桿；固定在微進(jìn)給絲桿滑臺的滑塊上的推板2-3設(shè)置在注射器的活塞桿頂部，推動注射器2-5的活塞桿，直至滴落一滴預(yù)定體積的液滴；注射器被抱持裝置2-4抓緊并固定在微進(jìn)給絲桿滑臺2-2的底板上。升降臺由升降絲桿2-10、手輪2-11、升降滑塊2-9、升降板2-8和支撐架2-7組成；升降絲桿2-10與支撐架2-7構(gòu)成旋轉(zhuǎn)副；升降絲桿2-10端部固定手輪2-11；升降滑塊2-9與升降絲桿2-10構(gòu)成螺旋副，升降板2-8與升降滑塊2-9固定，微進(jìn)給絲桿滑臺2-2的底板與升降板2-8固定；支撐架2-7在豎直方向上標(biāo)有刻度，抱持裝置側(cè)面設(shè)有指針，指示注射器高度；通過升降臺調(diào)整注射器到狹縫2-6的距離來改變液滴進(jìn)入狹縫的初始條件。

如圖2(c)所示，檢測監(jiān)測模塊3包括激光干涉儀3-3、高速攝像頭3-4和升降模組3-1。激光干涉儀3-3正對標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚，用于測量標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚和被測樣本形成的狹縫在光線上的間隙。高速攝像頭3-4同樣正對標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚，用于觀察、記錄液滴在狹縫中的滲流特性。激光干涉儀和高速攝像頭固定在升降模組3-1的滑塊上，升降模組的升降絲桿由第二伺服電機(jī)3-2驅(qū)動。

如圖3所示為狹縫局部放大圖。本裝置可實現(xiàn)對平行狹縫和楔形狹縫間液滴滲流特性的監(jiān)測。平行狹縫采用豎直定位塊1-2和水平定位塊1-7實現(xiàn)，狹縫距離通過激光干涉儀觀察，不斷旋轉(zhuǎn)手柄1-10直至達(dá)到預(yù)定間隙距離。楔形狹縫夾角的變化通過調(diào)整螺栓1-5旋進(jìn)、旋出來控制。

下面具體解釋如何利用本裝置完成各參量對液滴向狹縫的滲流特性的檢測：

將被測樣本1-4同時嵌入水平定位塊1-7的定位孔和豎直定位塊1-2的定位槽內(nèi)；定位槽的底部開放且設(shè)有限位凸起；通過調(diào)整水平定位塊1-7水平位置對被測樣本1-4水平定位，通過調(diào)整豎直定位塊1-2的豎直位置對被測樣本1-4豎直定位；連接在標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚1-6頂端的調(diào)整螺栓1-5配合激光干涉儀設(shè)定好被測樣本1-4與標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚1-6之間的狹縫形態(tài)和狹縫間隙。利用升降臺調(diào)整注射器到預(yù)設(shè)高度得液滴進(jìn)入狹縫的初速度。通過設(shè)置豎直定位塊1-2移動速度設(shè)置被測樣本1-4與標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚1-6在豎直方向y的相對運動速度。設(shè)置完畢后，向注射針筒中加入預(yù)定液體，進(jìn)給機(jī)構(gòu)使注射器滴落預(yù)定體積的液滴，液滴進(jìn)入狹縫后滲流特性通過高速攝像機(jī)拍攝記錄。

下面說明如何處理高速攝像機(jī)拍攝的畫面得到液滴滲流特性。本發(fā)明中的液滴滲流特性具體是指液滴在狹縫間流動的形態(tài)、流動速度和在被測樣本1-4與標(biāo)準(zhǔn)玻璃磚1-6相對運動條件下液滴滲入狹縫的最大深度。將高速攝像機(jī)拍攝的圖像用圖像處理的方法提取出液跡輪廓，即得到液滴的流動形態(tài)，高速攝像機(jī)拍攝的某幀圖像中提取出來的液跡S如圖4所示。比較相鄰兩幀圖像液跡在水平方向上的距離變化，根據(jù)攝像機(jī)的每秒幀數(shù)即可得到液滴在水平方向上的即時速度，同理可得液滴在垂直方向上的即時速度。找到在垂直方向上液跡滲流最遠(yuǎn)的那一幀圖像并測量最遠(yuǎn)點到標(biāo)準(zhǔn)玻璃板頂面的距離即是液滴滲入狹縫的最大深度。