一种磁驱动液滴运动测试装置及其测试方法
技术领域
本发明属于液滴操作
技术领域
，具体涉及一种磁驱动液滴运动测试装置及其测试方法。背景技术
液滴操作是许多应用的基础，例如水收集、医疗诊断和药物输送。基于结构的液体操作在自然界和人工材料中都得到了广泛的应用。液滴的可控操作是广泛应用的关键，例如水的收集和运输、生物鉴定和化学反应。自然界中的许多植物和动物通过利用它们的结构来操作液滴。原型实例包括仙人掌、蜘蛛丝和纳米布沙漠甲虫，它们分别用锥形刺、周期突起结构和凸块结构收集和移动水滴。这些不对称的本征结构能够在水滴中引起拉普拉斯压力梯度差，致使液滴向预设方向移动。受这些液滴操作方法的启发，各种外力包括电、磁、声、光和润湿表面都被用来驱动液滴，其中利用磁力操作液滴具有远距离驱动、安全、易于控制等优势。为实现磁力驱动液滴，通常会将待测物与磁性材料相结合，通过操控外界磁场来控制待测物在不同操控平面内的移动，也即通过外界磁场提供磁性材料吸引力，使得与磁性材料结合的待测物依据外界磁场所提供的吸引力而产生运动。然而，这种通过磁场提供磁性材料吸引力来控制磁性材料移动的方法，通常都需要昂贵的设备以及特定技术支持，工艺复杂。此外，多数磁驱动液滴场合下，需要预先设计出复杂算法，用于固定运动轨迹下的液滴运动操作。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷提供一种磁驱动液滴运动测试装置及其测试方法，旨在提高磁驱动液滴测试的多样性和灵活性。
本发明一种磁驱动液滴运动测试装置，包括承载平台，以及安装在承载平台上的磁场移动组件、相机组件和液滴移动组件。液滴进给组件位于磁场移动组件的一端。所述的磁场移动组件包括直线模组、第一三轴调节平台、磁体放置板和永磁体。第一三轴调节平台安装在直线模组的滑块上；磁体放置板安装在第一三轴调节平台的末端调节板上。磁体放置板上安装有永磁体。磁体放置板采用非铁磁性材料。
所述的液滴移动组件包括升降机构、第二三轴调节平台、碗状光源和液滴移动台板；第二三轴调节平台安装在升降机构的升降板上。碗状光源和液滴移动台板均安装在第二三轴调节平台的末端调节板上。碗状光源位于液滴移动台板的正下方。液滴移动台板采用非铁磁性的透明材料。
所述的相机组件包括相机、第一支架、第二支架、调整块、第一调节螺栓和第二调节螺栓。竖直设置的第一支架固定在承载平台上；调整块与第一支架构成沿竖直方向滑动的滑动副或圆柱副，且通过第一调节螺栓在不同位置锁止。第二支架与调整块构成沿水平方向滑动的滑动副或圆柱副，且通过第二调节螺栓在不同位置锁止。相机安装在第二支架上，且头朝下设置。相机能够移动到液滴移动台板的正上方。
作为优选，所述的承载平台包括顶板、中间板、底板和型材架。型材架固定在底板上。中间板固定在型材架的中部。顶板固定在型材架的顶部。
作为优选，所述底板的底面安装有多个万向轮。
作为优选，所述的永磁体采用Nd-Fe-B永磁体，其表面磁场强度为1185Gs。
作为优选，所述直线模组一侧的两端均安装有两个光电开关。光电开关用于直线模组上滑块的限位。
作为优选，所述的磁体放置板相对于第一三轴调节平台架高设置。液滴移动台板相对于第二三轴调节平台架高设置。具体架高的高度根据Nd-Fe-B永磁体周围空间磁场强度分布确定，使得Nd-Fe-B永磁体产生的磁场在第一三轴调节平台处的磁场强度趋近于0，该架高的高度值通过霍尔传感器测量永磁体周围不同位置的磁场强度来设置。
作为优选，所述的升降机构通过叉剪机构配合导轨带动顶部的升降板进行升高或降低。升降机构通过手动调节或由电机驱动升降。
作为优选，液滴移动台板的顶面设置有疏水涂层。
作为优选，本发明一种磁驱动液滴运动测试装置还包括液滴进给组件。所述的液滴进给组件包括进样器夹持机构、推进加样机构、进样器高度调节机构、角度调节块、固定板和立柱；竖直的立柱固定在承载平台的顶板上。固定板通过抱箍连接在立柱上。抱箍能够在立柱上滑动和转动。进样器高度调节机构安装在固定板上。进样器夹持机构和推进加样机构均安装在进样器高度调节机构的滑移板上。进样器夹持机构位于推进加样机构的下方。注射进样器的注射筒夹持固定在进样器夹持机构上。注射进样器的注射推杆与推进加样机构上的滑移板固定。进样器高度调节机构和推进加样机构均采用电动或手动调节滑台。注射进样器的注射口朝下设置。注射进样器能够移动到液滴移动台板的正上方。
该磁驱动液滴运动测试装置的测试方法如下：
步骤一、将装有磁性液体的注射进样器安装到调节液滴进给组件上。调节液滴进给组件上的注射进样器的位置至液滴移动台板的正上方。通过进样器高度调节机构调节注射进样器的注射口到液滴移动台板的间距，并通过推进加样机构使得注射进样器在液滴移动台板上滴加一滴预设体积的磁性液滴。
步骤二、将调节液滴进给组件上的注射进样器移开；将相机组件中的相机调节至液滴移动台板的正上方。调节碗状光源的亮度，使得相机拍摄出的磁性液滴边缘清晰。
步骤三、升降机构调节磁性液滴的高度；通过第二三轴调节平台调节磁性液滴的中心位置，使得永磁体的磁场中心轴线经过磁性液滴的中心位置。
步骤四、通过滑台组件上的直线模组或第一三轴调节平台调节永磁体的位置。相机在永磁体移动的过程中持续拍摄磁性液滴，记录下磁性液滴行为过程。使用者利用拍摄得到的照片观察磁性液滴在磁场移动过程中的变形和运动情况。
本发明具有的有益效果：
1、本发明能够利用移动永磁体的方式调整磁场，从而调动磁性液滴移动、分裂、合并；此外，永磁体能够进行一维长距离运动和三维微距运动，能够对磁性液滴的性能进行全面测试。
2、本发明将永磁体和磁性液体架高，远离其他铁磁性材料，从而使得测试中磁场更加稳定，提高测试准确性。
3、本发明一种磁驱动液滴运动操作装置是一种具有紧凑组件化设计的装置，直线模组上附加的两个光电开关确保了磁控平台能够在参数范围内运动。
附图说明
图1为本发明的第一张整体结构示意图；
图2为本发明的第二张整体结构示意图；
图3为本发明中承载平台的立体图；
图4为本发明中磁场移动组件的立体图；
图6为本发明中液滴移动组件的立体图；
图5为本发明中相机组件的立体图；
图7为本发明中液滴进给组件的立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，一种磁驱动液滴运动测试装置，包括磁场移动组件Ⅰ、相机组件Ⅱ、液滴移动组件Ⅲ、液滴进给组件Ⅳ和承载平台Ⅴ；磁场移动组件Ⅰ、相机组件Ⅱ、液滴移动组件Ⅲ和液滴进给组件Ⅳ均安装在承载平台Ⅴ上。磁场移动组件Ⅰ与液滴进给组件Ⅳ排成一条直线。
如图3所示，承载平台Ⅴ包括60F福马轮1、顶板2、中间板3、底板4和型材架5。底板底面的四个角上均安装有60F福马轮1。型材架5固定在底板4上。中间板3固定在型材架5的中部。顶板2固定在型材架5的顶部。
如图4所示，磁场移动组件Ⅰ包括直线模组6、伺服电机7、转接板8、第一三轴调节平台9、第一支撑螺栓10、磁体放置板11和永磁体12；永磁体12采用Nd-Fe-B永磁体，其表面磁场强度为1185Gs。直线模组6的有效行程为150mm，由伺服电机7驱动。直线模组6一侧的两端均安装有两个光电开关。直线模组6的底部通过圆柱头螺钉安装在承载平台Ⅴ的顶板2上；第一三轴调节平台9通过转接板8安装在直线模组6的滑块上；磁体放置板11通过四个第一支撑螺栓10间隔安装在第一三轴调节平台9的末端调节板。磁体放置板11的顶面靠近液滴移动组件Ⅲ的一侧固定有永磁体12。磁体放置板11采用非铁磁性材料。由于磁体放置板11通过第一支撑螺栓10架高，故直线模组6和第一三轴调节平台9中的铁磁性零件对永磁体12产生的磁场影响较小，从而降低试验误差。磁体放置板11材质为不导磁的铝板。
如图5所示，液滴移动组件Ⅲ包括升降机构21、第二三轴调节平台22、碗状光源23、第二支撑螺栓24和液滴移动台板25；碗状光源23采用亮度连续可调单色冷光LED灯。所述的升降机构21安装在承载平台Ⅴ的顶板2上。升降机构21通过叉剪机构配合导轨带动升降机构21顶部的升降板进行升高或降低。升降机构21通过手动调节或由电机驱动升降。升降机构21的升降板上安装有第二三轴调节平台22；液滴移动台板25通过四个第二支撑螺栓24间隔安装在第二三轴调节平台22的末端调节板。由于液滴移动台板25通过第二支撑螺栓24架高，故升降机构21、第二三轴调节平台22中的铁磁性零件对被测磁性液滴的影响较小，从而降低了试验误差。所述液滴移动台板25材质为透明玻璃，且顶面设置有聚四氟乙烯涂层，用以产生光滑的疏水表面。所述的碗状光源23通过螺栓固定在第二三轴调节平台22的末端调节板上，且朝向液滴移动台板25的中部。碗状光源23能够为相机组件Ⅱ补充光照，背光设置使图像中液滴边缘分辨更清晰，从而让相机组件Ⅱ能够更加清晰地拍摄到磁性液滴的变形或移动情况。
第一三轴调节平台9和第二三轴调节平台22均能够对末端调节板进行上、下、左、右、前、后的位移调节。从而测试液滴移动台板25上的磁性液滴在磁场发生变化时的运动情况，实现对不同配方的磁性液滴性能的检测。
如图6所示，相机组件Ⅱ包括相机13、第一支架14、第二支架15、调整块16、第一调节螺栓17、第二调节螺栓18、第三调节螺栓19、U形安装架和相机夹持块20；相机13采用高像素CCD相机。竖直设置的第一支架14固定在承载平台Ⅴ的顶板2上；调整块16与第一支架14构成沿竖直方向滑动的滑动副或圆柱副，且通过第一调节螺栓17在不同位置锁止。第二支架15与调整块16构成沿水平方向滑动的滑动副或圆柱副，且通过第二调节螺栓18在不同位置锁止。U形安装架与第二支架15的端部固定。U形安装架的两块侧板上分别旋接有同轴设置的两根第三调节螺栓19。两根第三调节螺栓19的相对端端部均固定有相机夹持块20。相机13夹持在两个相机夹持块20之间，且镜头朝下设置。通过调节第一支架14、第二支架15和调整块16的相对位置关系，能够将相机13调整至液滴移动台板25正上方的恰当高度。所述相机13的下方根据需要安装一个连续变焦显微镜镜头，用于通过变动焦距来改变拍摄范围，以利于画面构图，清晰地观察磁性液滴行为。
如图7所示，液滴进给组件Ⅳ包括进样器夹持机构26、推进加样机构27、进样器高度调节机构28、角度调节块29、第四调节螺栓30、固定板31和立柱32；竖直的立柱32固定在承载平台Ⅴ的顶板2上。固定板31通过抱箍连接在立柱32上。抱箍通过第四调节螺栓30调节松紧程度。抱箍能够在立柱32上滑动和转动。进样器高度调节机构28安装在固定板31的外侧面。进样器夹持机构26和推进加样机构27均安装在进样器高度调节机构28的滑移板上。进样器夹持机构26位于推进加样机构27的下方。注射进样器的注射筒夹持固定在进样器夹持机构26上。注射进样器的注射推杆与推进加样机构27上的滑移板固定。进样器高度调节机构28和推进加样机构27均采用电动或手动调节滑台。注射进样器的注射口朝下设置。进样器高度调节机构28用于调节注射进样器的注射口到液滴移动台板25的距离。推进加样机构27用于推动注射进样器的注射推杆，将磁性液滴推出到液滴移动台板25上。
该磁驱动液滴运动测试装置的测试方法如下：
步骤一、将装有磁性液体的注射进样器安装到调节液滴进给组件Ⅳ上。调节液滴进给组件Ⅳ上的注射进样器的位置至液滴移动台板25的正上方。通过进样器高度调节机构28调节注射进样器的注射口到液滴移动台板25的间距，并通过推进加样机构27使得注射进样器在液滴移动台板25上滴加一滴预设体积的磁性液滴。磁性液滴中含有不同体积、种类、浓度的磁性物质。磁性物质包括磁珠悬浮液、微米级磁粉和磁性钢珠，其直径为1mm。
步骤二、将调节液滴进给组件Ⅳ上的注射进样器移开；将相机组件Ⅱ中的相机13调节至液滴移动台板25的正上方。调节碗状光源23的亮度，使得相机13拍摄出的磁性液滴边缘更清晰，利于观察液滴变形以及运动状态。
步骤三、升降机构21调节磁性液滴的高度至适当位置；通过液滴移动组件Ⅲ上的第二三轴调节平台22调节液滴移动台板25上磁性液滴的中心位置，使得磁体放置板11上的永磁体12的磁场中心轴线经过磁性液滴的中心位置。
步骤三、通过滑台组件Ⅰ上的直线模组6或第一三轴调节平台9调节永磁体12的位置。相机13在永磁体12移动的过程中持续拍摄磁性液滴的变形和运动情况，从而记录下磁性液滴行为过程，观察液滴的运动、分裂和合并情况。
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