一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置：包括液滴发生单元、片激光扩束单元和信号采集及处理单元；液滴发生单元，包括液滴发生器、注射泵和压电驱动器，用于产生待测液体的振荡液滴；片激光扩束单元，包括激光器、扩束元件和反射镜，由激光器发射的激光束经扩束元件调制为片激光，经反射镜照射到振荡液滴，产生彩虹信号；信号采集及处理单元，包括数字相机和视场透镜，将不同高度振荡液滴的彩虹信号通过光学滤波分别成像在数字相机的不同像素行上，并以数据的形式输出。该装置实现了微秒量级液滴振荡的跟踪，提高了测量的时空分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置
本技术涉及液体热物性在线测量领域，具体涉及一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置。
技术介绍
表面张力和粘度是液体的重要物理化学性质，是医药、食品、燃油雾化和多相反应等众多科学研究和工程应用领域中常用的基础数据。目前测定液体表面张力及粘度的常用方法有：毛细管上升法，通过外部压力驱动液体流过毛细管，测定液体在毛细管内的高度和液体流量来推算液体的表面张力和粘度；最大气泡法，测定气泡在泡内压力最大时的毛细管内半径；滴重法，测定液体从毛细管中滴落时液滴的质量。这些方法的普遍问题在于样品消耗量大、接触式测量易造成样品污染、测定时间长等问题。在测量的时间分辨率上，毛细管上升法为静态方法，其他方法虽可以用于测定动态表面张力，但时间精度最高仅可达1ms。振荡液滴法通过观测射流裂解后形成振荡液滴的形态及其时间演化，得到液体的表面张力及粘度值，其时间分辨率可达微秒量级，可用于液体动态界面参数的测量。如公开号为CN108007825A的中国专利文献公开了一种基于液滴机械振动的液体粘度测试方法，具体包括以下步骤：在多普勒超声仪的超声探头上放置疏水基片，通过微量注射器产生液滴于疏水基片上；通过具有自动回弹功能的振动触发装置使液滴发生振动，然后使振动触发装置回弹，液滴发生自由振动；超声探头采用非聚焦连续波多普勒方法将液滴表面毛细波的自由振动转换为超声波多普勒频移信号并加以放大；计算机信号处理模块对多普勒频移信号采集并处理，得到液滴自由振动特征图；由自由振动特征图拟合得到液滴振幅随时间的衰减速率，进而计算得到液体粘度。此外，振荡液滴法还适用于在极端条件(过冷、高温、高压环境)下的液体参数测量。目前多采用高速摄影等直接成像法观测液滴形态变化，但这种方法受限于像素尺寸和视场大小，且需要对液滴轮廓进行拟合，数据处理较为复杂。因而，开发一种快速高效、准确可靠的液体动态表面张力及粘度的在线测量方法及装置具有非常重要的科学意义和实际价值。
技术实现思路
鉴于振荡液滴法测量液体界面参数的优越性，本技术的目的在于提供一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置，实现了微秒量级液滴振荡的跟踪，提高了测量的时空分辨率。为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：本技术提供了一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置，包括液滴发生单元、片激光扩束单元和信号采集及处理单元；液滴发生单元，包括液滴发生器、注射泵和压电驱动器，注射泵将待测液体送入到液滴发生器后在压电驱动器的作用下产生待测液体的振荡液滴；片激光扩束单元，包括激光器、扩束元件和反射镜，由激光器发射的激光束经扩束元件调制为片激光，经反射镜照射到振荡液滴，产生彩虹信号；信号采集及处理单元，包括数字相机和视场透镜，将不同高度振荡液滴的彩虹信号通过光学滤波分别成像在数字相机的不同像素行上，并以数据的形式输出。进一步地，液滴发生器可为单分散液滴流发生器或单液滴发生器，分别用以产生振荡的液滴流和单液滴。其中，激光器为连续激光器，用于产生强度可调的激光束，扩束元件将出射的激光束扩束为片激光，反射镜安装于旋转台上，用于将片激光反射到液滴及其运动轨迹上。所述反射镜安装于旋转位移台上。所述扩束元件为扩束器或透镜组。所述信号采集及处理单元包括视场透镜、水平狭缝光阑及面阵数字相机；从液滴发出的散射光，依次通过视场透镜、水平狭缝光阑后进入面阵数字相机。其中，视场透镜为凸透镜，凸透镜、水平狭缝光阑及数字相机依次设置在液滴的彩虹角区域且共线。并且，水平狭缝光阑设置在凸透镜的后焦面上。其中，液滴在不同高度散射的彩虹信号由视场透镜收集，位于视场透镜焦平面的水平狭缝光阑使得只有水平进入视场透镜的彩虹信号才能通过，从而使不同高度的液滴的彩虹信号分离开；通过调整数字相机距水平狭缝光阑的距离，控制视场区域大小；调整液滴发生单元的高度，使数字相机记录液滴由振荡到成稳定球形的彩虹图像。所述水平狭缝光阑宽度可调，线宽为0.5mm～5mm，位于视场透镜的后焦平面。所述信号采集及处理单元包括视场透镜和线阵数字相机，从液滴发出的散射光通过视场透镜进入线阵数字相机。进一步的，本技术提供的装置还包括线性移动及转动装置。单分散液滴流发生器或单液滴发生器安装在具有五个自由度的位移平台上，用于调整液滴轨迹的位置和准直；数字相机安装在线性位移台上，控制所收集散射信号对应的液滴高度。上述装置对液体表面张力与粘度同时在线测量的方法，包括以下步骤：(1)液滴发生单元产生在二阶模态下振荡的液滴，所述液滴的横截面为椭球形；(2)激光扩束单元产生片激光并照射到振荡的液滴及其运动轨迹，产生彩虹信号；信号处理及采集单元记录振荡的椭球液滴到形成稳态时球形液滴的彩虹图像；(3)对彩虹图像中的彩虹信号高度及散射角进行标定，获得像素列与散射角的标定曲线；提取彩虹图像中的信号并与标定曲线相对应，并对稳态时彩虹图像进行反演，得到球形液滴的折射率和半径；(4)结合球形液滴的折射率和半径，根据振荡的椭球液滴与稳态时球形液滴彩虹图像的彩虹角偏移，得到液滴下落过程中椭球度的演化情况；将液滴椭球度信息转化为振荡幅值信息，利用阻尼振荡函数进行拟合；由拟合得到阻尼振荡函数的振荡频率和时间常数，分别得到液体的表面张力及粘度值。进一步地，步骤(3)中对彩虹信号高度及散射角进行标定的方法为：在片激光扩束单元的主光轴延伸方向的液滴测量区域设置一个带有旋转位移台的反射镜，调节旋转位移台，先使反射镜反射的光线与光学系统单元的主光轴重合，并记录旋转位移台的初始角度，微调旋转位移台的转动角度，记录旋转角度与反射光在数字相机上的位置，结合液滴发生单元中激光器发射的激光束与光学系统单元的主光轴的角度，可以得到标定点的散射角度，进而得到信号处理及采集单元中的数数字相机像素与散射角之间的关系。同步调整反射镜及激光器的上下高度，测量高度的变化量并重复上述测量过程，得到一维线上不同高度的测量点与数字相机像素上下行的对应关系。进一步地，椭球液滴的角偏移与液滴椭球度的关系由公式计算：其中，θgn，θrg分别为相同体积的椭球液滴与球形液滴的几何彩虹角；ξ为椭球液滴的椭球度；β，θrg分别由以下公式获得：其中，m为液滴的折射率。进一步地，液滴的极半径可由下式表示：其中，r0为相同体积球形液滴的半径；θ为椭球的极角；A(t)为液滴振荡幅值随时间的变化函数，其与液滴椭球度的关系可表示为：并由以下公式进行拟合：A(t)＝A0exp(-t/τ)·sin[Ω·t+φ]+c(6)其中，A0，φ为0时刻液滴振荡的幅值及相位；τ、Ω为振荡的时间常数及频率；c为非对称振荡的偏移。基于Rayleigh和Lamb对液滴自由振荡的描述，振荡的时间常数与频率分别与液体粘度μ和表面张力σ相关，在二阶振荡模态下，由以下公式决定：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置，其特征在于，所述装置包括液滴发生单元、片激光扩束单元和信号采集及处理单元；/n液滴发生单元，包括液滴发生器、注射泵和压电驱动器，用于产生待测液体的振荡液滴；/n片激光扩束单元，包括激光器、扩束元件和反射镜，由激光器发射的激光束经扩束元件调制为片激光，经反射镜照射到振荡液滴，产生彩虹信号；/n信号采集及处理单元，包括数字相机和视场透镜，将不同高度振荡液滴的彩虹信号通过光学滤波分别成像在数字相机的不同像素行上，并以数据的形式输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置，其特征在于，所述装置包括液滴发生单元、片激光扩束单元和信号采集及处理单元；
液滴发生单元，包括液滴发生器、注射泵和压电驱动器，用于产生待测液体的振荡液滴；
片激光扩束单元，包括激光器、扩束元件和反射镜，由激光器发射的激光束经扩束元件调制为片激光，经反射镜照射到振荡液滴，产生彩虹信号；
信号采集及处理单元，包括数字相机和视场透镜，将不同高度振荡液滴的彩虹信号通过光学滤波分别成像在数字相机的不同像素行上，并以数据的形式输出。


2.根据权利要求1所述的液体表面张力与粘度同时在线测量的装置，其特征在于，所述反射镜安装于旋转位移台上。


3.根据权利要求1所述的液体表面张...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴迎春，吴学成，吕绮梦，陈玲红，邱坤赞，高翔，岑可法，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33