[发明专利]一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统和检测方法

权利要求书

1.一种研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，实验系统包括自聚焦超声换能器、信号发生器、示波器、脉冲收发器、源流体池阵列、液滴观测装置、功率放大器、介于自聚焦超声换能器和源流体池阵列之间的耦合介质以及控制自聚焦超声换能器和源流体池阵列的三维位移平台，所述液滴观测装置由高速相机和上位机线路连接组成，所述信号发生器分别与功率放大器、高速相机线路连接，所述脉冲收发器与示波器线路连接，所述功率放大器和脉冲收发器分别与自聚焦超声换能器线路连接，所述自聚焦超声换能器使用夹具固定在一个三维位移平台左侧，源流体池阵列固定在另一个三维位移平台上方，两个三维位移平台皆可在X、Y、Z三个方向上移动，在自聚焦超声换能器的凹形掩膜和源流体池之间滴加填充耦合介质，使耦合介质与源流体池阵列接触连接，其特征在于：步骤如下：

(1)脉冲收发器通过自聚焦超声换能器获得超声波经过不同声阻抗界面所产生的回波，并根据各回波信号接收时间的差值完成对不同试剂声速的测量及源流体池中试剂液面高度的测量；

(2)通过实时跟踪观测自聚焦超声换能器在各个源流体池单元中激发试剂产生液滴的动力学过程，记录阈值能量处毛细波高度和激发过程中液滴速度的特征参数，根据这些特征参数和对应的超声驱动功率实现试剂表面张力和粘度的测量：利用超声驱动功率P以及测量得到的密度ρ、声速c和毛细波高度h，根据下式得到试剂的表面张力：

其中σ₁、ρ₁、c₁、h₁、P₁为已知第一试剂的表面张力、密度、声速、毛细波高度和阈值处超声驱动功率，σ₂、ρ₂、c₂、h₂、P₂为未知第二试剂的表面张力、密度、声速、毛细波高度和阈值处超声驱动功率，c、h值通过上述方法即可测量获得。

2.根据权利要求1所述的研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，其特征在于：通过脉冲收发器和示波器接收到的初始脉冲回波信号和耦合介质/源流体池下底界面回波信号时间差值实现声速的测量；通过脉冲收发器和示波器接收到的源流体池上底/试剂界面回波信号和试剂/空气界面回波信号时间差值实现试剂液面高度的测量。

3.根据权利要求2所述的研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，其特征在于：对功率放大器与液滴观测装置进行同步实时控制，实现液滴的单次激发以及激发过程中单个液滴的毛细波高度和激发功率的记录，具体步骤如下：

(1)信号发生器输出两路信号，第一信号为正弦脉冲经过功率放大器后驱动自聚焦超声换能器，第二信号为TTL信号驱动高速相机；

(2)设置第一信号为外部触发模式，每点击一次信号发生器触发按键则整个系统进行一次液滴激发并记录相关数据。

4.根据权利要求1所述的研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，其特征在于：调节自聚焦超声换能器和源流体池阵列的位置，使调节自聚焦超声换能器焦点位于试剂表面处，通过逐渐减小超声能量直到阈值能量点出现，具体步骤如下：

(1)通过脉冲收发器和示波器实现液面高度的测量；

(2)在Z方向上微调自聚焦超声换能器位置，使试剂/空气界面的回波信号幅值达到最大，此时自聚焦超声换能器焦点即位于试剂表面；

(3)逐渐减小超声能量到阈值点出现，记录所用超声驱动功率P，并通过对阈值能量激发的毛细波进行图像处理得到毛细波高度h。

5.根据权利要求1所述的研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，其特征在于：液滴毛细波高度的测量使用图像边缘识别算法提取毛细波图像的边缘并截取所需的部分作为此毛细波的高度，计算竖直方向上像素点个数得到毛细波高度h。

6.根据权利要求5所述的研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，其特征在于：截取所需的部分的最低点为毛细波底部液面开始隆起处，最高点为毛细波与液滴交界形成颈部的最细处，即液滴脱离瞬间毛细波的顶点。