英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
通过对电喷雾和电液射流中液体的弯月面的监测来控制和改善射流稳定性
摘要：电喷雾和电流体动力(EHD)喷射是制备微细液滴或颗粒的重要手段。然而，在施加恒定电压的情况下，由于电场的变化会引起弯月面的波动。电场的变化有多种原因，如喷嘴与基板之间的距离、润湿条件、压降和液体蒸发。在喷射过程中，弯月面的波动会导致喷射和喷雾的不稳定，从而导致图案或涂层的不均匀。为了解决这一问题，本文提出了一种先进的应用电压控制方法，以保持弯月面的稳定。利用一种称为弯月面特征的图像处理方法，将有关弯月面形状的信息作为反馈信号提供给控制器。此外，这个弯月面信息也被用来评估一个适用于喷嘴的最佳电压，以改善喷雾和EHD喷射的启动时间。实验结果表明，该工艺能稳定地保持弯月面的形状，喷射和电喷雾也趋于稳定，缩短了喷射启动时间。
1引言
泽莱尼(1914,1917)首次对电喷雾进行了研究，泰勒(1964)从理论上对其进行了解释。自那以来，许多研究者研究了在液体表面产生电荷并向电场方向拉伸弯月面的机理。当液体的弯月面受到强电场作用时，弯月面上产生电荷，静电力使液体伸长形成锥形射流(Cloupeau amp; Prunet-Foch, 1989, 1994;Fernández de la Mora, 1992;Gomez amp; Tang, 1994)。电喷雾雾化的锥形喷射模式可以产生纳米尺寸的单分散液滴(Ganan-Calvo et al.， 1997)。Hartman等人(1999)将锥形喷射模式下的喷雾特性与物理模型进行了比较。Fernandez de la Mora(1992,1994)提出了一种喷雾模型，其中水滴占据一个与弯月面顶点重合的圆锥体。近年来，电液射流技术因其在高分辨率印刷、薄膜沉积等方面的应用而受到广泛关注。一种EHD喷射装置已经被提出并发展成为基于热气泡喷墨或压电泵送的喷墨装置的替代物(Byun et al.， 2008;崔等人，2008;Lee等人，2007; Lee et al, 2008年;阮amp; Byun, 2009;Yudistira et al, 2010)。EHD打印是一种利用电场来产生将油墨输送到基材所需的流体流动的技术。这种印刷技术可以产生一个很小的图案,小于1mu;m，喷射出高粘度油墨，其中喷射液滴可以携带更多的功能材料(Jaworek amp; Krupa, 1999)。
电喷雾和EHD喷印存在薄膜沉积不均匀或图案不均匀的问题。在电喷雾或EHD喷印过程中，即使施加恒定的电压，也会出现弯月面波动，导致喷印不稳定，图案或涂层不均匀。这种稳定性是喷嘴几何形状、电场强度和流量等几个参数的函数。电场强度可以很容易地由喷嘴和基板之间的距离变化。喷嘴润湿状况、压降或液体蒸发等复杂现象会影响其稳定性。为了解决这一问题，可以采用施加电压的先进控制来消除弯月面的波动。Valaskovic和Lee(2004)提出了反馈控制的概念，作为手工优化过程的替代方法。但是，他们使用光电信号对施加的电压进行反馈控制，并没有给出反馈控制的详细实现。
在EHD喷墨打印中，墨流率的变化会对细小连续流线的均匀性产生重要影响。对于按需滴式印刷，喷嘴端液体弯月面的恒容性、液滴体积的均匀性以及周期性的喷射等都存在严重的技术问题。为了改善图案或涂层的均匀性，应监测和控制弯月面的体积和喷出液体的量。然而，迄今为止，还没有报道定量测量弯月面的体积或喷射液体的量，以提高喷射的稳定性和均匀性。在电喷雾的一些应用中，由于电流与喷淋量成正比，因此可以通过喷嘴和基板之间的电流来间接地监测喷射的性能。Mishra等人(2010)提出了一种基于测量到的电流信息来确保连续点印刷的喷射频率精度的方法。但是，由于泄漏电流的存在，特别是当液体被充电时，电流不能准确地表示所提取的液体量。
本文介绍了一种应用电压反馈控制的方法，以提高电喷雾和EHD喷射的稳定性和均匀性。液体弯月面形状在喷射过程中由数码相机监控。该控制算法是在分析弯月面形态的基础上确定液体喷射的输出电压。弯月面的形状也被解释为关于喷雾和喷射状态的信息。将反馈控制算法应用到EHD喷墨打印硬件和软件中，提高了喷墨打印的稳定性。我们还减少了第一次喷射的喷射启动时间。
2实验
图1 实验设置
图1为电喷雾和EHD喷印的原理图，主要有三个模块:喷印模块、视觉模块和处理控制模块。所述喷射模块包括喷嘴、基板、储液器和管等基本部件。喷嘴采用PMMA，外径800mu;m，内径200mu;m，连接到高压电源的正极(Trek Inc. 10/40A),它可以提供一个10 kV的最大电压。反电极距离喷嘴有一定距离，并连接到地面。墨盒高度可调节，通过改变墨盒表面与喷嘴之间的高度差来控制供应压力。
视觉模块由一个CCD相机(Crevis Inc.)、一个微变焦镜头和一个LED背光组成。它用于捕获弯月面的连续图像。捕获的包含弯月面形状信息的图像被发送到处理模块。一个LED光源位于喷嘴的后面，以创建背光图像和高对比度的弯月面边缘。弯月面的形状由帧速率为15帧的单色相机捕捉。相机分辨率2.38mu;m /像素。为了捕捉快速运动的弯月面,相机的曝光时间设置为250mu;s。处理和控制模块包括一台计算机、一个信号发生器(Agilent 33220A)和一个高压放大器(Trek Inc. 10/40A)。通过能确定弯月面形状和喷射状态的弯月面确定算法处理来自相机的图像。基于此处理结果，提出了一种控制液体喷射输出电压的反馈算法，以消除弯月面的波动。为了表征电喷雾，我们测量了对电极上的电流。为了测量电喷雾产生的电流，将一个皮安计(Keithley 6485皮安计)连接到反电极上。用乙醇和异丙醇(IPA)对喷射液的导电性能进行了研究。除了电导率外，这两种液体在粘度、介电常数、表面张力和密度上都有相似的值。此外，还用丙酮和蒸馏水考察了表面张力和介电常数的影响。液体的物理性质如表1所示。
表1 物理特性
|
溶剂 |
导电性(mu;S/cm) |
粘度(mPa s) |
介电常数 |
表面张力(dyne/cm) |
密度 (kg/m3) |
|
乙醇 |
0.0013 |
1.040 |
24.3ε0 |
22.39 |
0.78522 |
|
异丙醇 |
0.06 |
2.4 |
18.6ε0 |
22 |
0.785 |
|
丙酮 |
0.06 |
0.3311 |
20.7ε0 |
23.7 |
0.791 |
|
去离子水 |
0.055 |
1.002 |
80ε0 |
71.98 |
1 |
ε0: 真空的介电常数
3结果和讨论
3.1通过快速图像处理来表征弯月面
图2 EHD喷射过程中半月板形状随时间的演变
由于基板粗糙或振动造成的不均匀工作距离、喷射过程中不稳定的润湿条件、压降或液体蒸发等原因，喷雾和喷射强度可能会发生变化。这种变化可以通过监测弯月面的波动来识别。图2为恒压下典型EHD喷射图像。弯月面显示随时间上下波动。即使波动似乎是轻微的，它可能会影响图案或喷涂精度和精细印刷或涂料的均匀性。它的波动可以被摄像机直观地识别出来，也可以通过控制加在喷嘴和基板之间的电压来消除。因此，喷射出的液体量可以控制为常数。因此，在没有任何其他驱动的情况下，喷射的稳定性可以得到改善。通过使用最佳应用电压，该弯月面信息还可以用来减少喷射启动时间。
图3 EHD喷射模式及其弯月面形状
图3所示的弯月面特征将弯月面形状转换为电压控制器的反馈数据。当喷射时，弯月面变成圆锥形，液体从顶端以丝状或喷雾状流出。为了知道喷射是否发生，可以通过检测液线。在实际应用中，液线太细，很难用肉眼检测到。反而可以通过一个只有在喷射时出现的尖锥角检测喷射。在EHD喷射前，弯月面保持弯曲形状，弯月面伸长与外加电压成正比。当弯月面变形为锥形并开始喷出液体时，由于液体的质量损失随电压的增加而增加，所以弯月面高度与所施加的电压成反比。
弯月面的特征是弯月面表面的有限点，可以通过基于弯月面形状和背景亮度差的对比度检测方法来检测。弯月面的形状由数码黑白相机捕捉。背光创造了一个明亮的背景，需要通过对比法检测弯月面。
弯月面是一个轴对称的圆锥，因此它在二维图像中的形状可以像图3中的示意图那样表示。图3(a)中带有两条凹线OA和OB的圆锥体表示强喷射。图3(b)中具有相对直线OA和OB的圆锥体形状表示在正常外加电压下发生喷射。另一方面，如图3(c)所示，具有两个凸线OA和OB的圆锥形状表明，由于外加电压较低，喷射没有启动。
为了检测锐角和喷射强度，靠近顶点的五个点就足够了:A2、A1、O、B1和B2。这五个点在x方向上以Delta;x为间隔均匀分布。Delta;Y1和Delta;Y2是直线OA或OB上这些点的高度差。根据我们的观察，通过比较Delta;Y1/Delta;Y2的比值与锐角系数KJ可以得到喷射状态。在接下来的实验中，系数KJ在0.6到0.8之间，取决于液体和供应压力。只有当满足不等式Delta;Y1/Delta;Y2gt;KJ时才会发生喷射。
3.2在喷雾和喷射时稳定弯月面形状
本节采用上述方法得到的弯月面形状作为连续EHD喷射过程中稳定弯月面的反馈信息。具体反馈算法如图4所示。为了调整施加的电压V，控制器需要三个输入参数:目标弯月面高度Htarget、当前弯月面高度H和Delta;Y1/Delta;Y2的比值。一旦喷射开始，弯月面高度可能代表喷射强度。目标弯月面高度必须通过实验来确定，这是优化和稳定射流所必需的。弯月面高度H和Delta;Y1/Delta;Y2比值由弯月面表征得到。控制器根据以下规则来决定所加电压的值:
如果没有发生喷射(Delta;Y1/Delta;Y2lt;KJ)，则必须提高喷射电压。如果采用锥形喷射方式喷射，则施加更高的电压，得到更低的弯月面高度，反之亦然。因此，如果弯月面高度低于目标高度，则应降低电压以增加弯月面高度。否则，如果液体的弯月面高度大于目标高度，则应增加电压以降低弯月面高度。通过对电压的微调，可以控制弯月面的高度，从而达到长时间稳定喷射的效果。电压V的调整幅度取决于液体的类型和工作距离。
图4 视觉反馈算法稳定弯月面形状
图5显示了反馈控制(实线)和无反馈控制(虚线)时弯月面高度和施加电压的变化。在实验中，乙醇被用作液体，由重力提供。液体室设置在比喷嘴高5毫米的位置。喷嘴与基板之间的距离为2.5 mm。在没有反馈控制的情况下，施加的电压应该固定在一个恒定的值，弯月面表现出缓慢的波动，这导致了喷射的不稳定性。弯月面高度在440mu;m到490mu;m之间。如图5所示，由于液体的堆积和与排出液体的不平衡，波动可能会随着时间的推移而增大。由于弯月面高度的变化成为改变喷嘴与基板之间距离的原因，因此可能会影响喷嘴附近的电场强度。因此，随着时间的推移，波动会越来越大。另一方面，利用反馈控制和改变施加的电压，使弯月面高度被迫保持在目标水平。我们可以使弯月面高度保持在一个恒定值450mu;m，从而使弯月面不发生波动，喷射控制稳定。应该注意的是，如果在一次采样中所施加的电压调整幅度较大，则弯月面形状可能会出现波动。另一方面，小幅度的改变施加电压可能不足以使弯月面稳定，也可能使弯月面形状的改变非常缓慢。改变电压的最佳振幅为0.5 V/采样间隔。采样间隔设置为70毫秒，以适应相机的速度和计算能力。从图5可以看出，反馈控制方法可以通过控制施加的电压使液体的弯月面在锥形喷喷模式下保持稳定，从而获得均匀的图案或喷雾。
图5 当喷射过程中工作距离变化时，弯月面高度与外加电压的关系
图6显示了反馈控制对乙醇弯月面形状的影响，乙醇弯月面形状通过调节外加电压而稳定。通过反馈控制，可以消除弯月面的波动，可以假设喷雾和EHD喷射可以均匀产生。
图6 乙醇反馈控制后的弯月面形状稳定
图7 加速喷射启动的电压信号
3.3喷雾/喷射启动时间和稳定性
当要初始化喷嘴的喷射或喷雾时，应在喷嘴顶部形成液体弯月面，施加高于阈值电压的
电压，等待电荷在弯月面顶部积聚。喷射在施加电压后不能立即启动。这意味着启动喷射有一个特定的持续时间。在相对较低的电压下，启动喷射需要较长的时间。因此，为了在启动电源后较短的启动时间内加速喷射，首先要在较短的时间内施加高于启动电压的高压。然后电压逐渐降低到工作电压，并保持在这个水平，以达到稳定的性能。初始第一次喷射的电压为启动电压，如图7所示。在开始喷射后，也要稳定弯月面，使喷射稳定。为了稳定喷射，在高压作用下，半球形的弯月面应转化为锥形。从启动电
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[236880]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
