【摘 要】
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随着我国工业现代化的发展,液滴的尺寸、数量、浓度和生成频率等状态检测具有十分重要的意义。例如,通过检测管道内流体的压力和流速变化可以监测管道是否存在泄漏现象;精确把控液滴的大小可以实现药物合成;控制液滴生成频率和运动状态可调节反应物比例,从而实现面向管道内液滴状态的准确检测。传统流体检测技术主要有侵入式和非侵入式检测方法,不仅影响流场特征检测准确性,同时需要外部供电,增加检测设备成本。因此,本文提
【基金项目】
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国家自然科学基金“空气静压轴承非线性微振动形成机理和耦合特性研究”（项目编号:51766006）； 云南省万人计划/青年拔尖人才计划（YNWR-QNBJ-2018-162）； 云南省应用基础研究面上项目“微流控芯片气动微阀的过流特性研究”（项目编号:2018FB096）；
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随着我国工业现代化的发展,液滴的尺寸、数量、浓度和生成频率等状态检测具有十分重要的意义。例如,通过检测管道内流体的压力和流速变化可以监测管道是否存在泄漏现象;精确把控液滴的大小可以实现药物合成;控制液滴生成频率和运动状态可调节反应物比例,从而实现面向管道内液滴状态的准确检测。传统流体检测技术主要有侵入式和非侵入式检测方法,不仅影响流场特征检测准确性,同时需要外部供电,增加检测设备成本。因此,本文提出了一种非侵入式自供电型液滴状态检测方法,研制出摩擦电式液滴状态检测传感器。本文主要完成以下研究工作:（1）摩擦电式液滴状态检测原理研究。基于摩擦纳米发电机基础理论和液固双电层理论,建立单电极摩擦纳米发电机的等效电路模型,分析其电能输出特性的影响规律,明确液固间电荷转移机制,阐述非侵入式的摩擦电式液滴状态检测传感器的基本工作原理。（2）摩擦电式液滴状态检测数值计算研究。建立液滴生成单元和摩擦传感单元的计算模型,使用FLUENT有限元分析软件和COMSOL Multiphysics软件,分别对摩擦电式传感器进行流场与静电场的数值计算分析。由计算结果可知,液体受到空气的挤压产生液滴;液滴尺寸随液/气流速比的增大而增大。液滴与传感电极感应产生的电势随液滴尺寸的增大而增大,但液滴尺寸大于传感电极的宽度时,液滴的电势值达到最大值。在此基础上研制摩擦电式液滴状态检测传感器样机。（3）摩擦电式液滴传感器尺寸检测实验研究。搭建液滴状态检测实验系统,测试介质温度、种类和浓度等因素对传感器的尺寸检测性能的影响。实验结果表明,相同尺寸的液滴在22℃～50℃的条件下,产生的输出电压随温度的升高而下降;介质种类对传感器尺寸检测性能的影响较小,线性度平均为0.9851;液滴的输出电压随浓度的升高而减小。（4）摩擦电式液滴传感器数量检测实验研究。概述液滴运动状态的调控方式,测试液滴运动状态、传感器倾斜角度及介质种类等角度对摩擦电式传感器的计数性能的影响;通过Lab VIEW软件实现摩擦电式传感器的计数性能展示。实验结果表明,液滴运动状态和介质种类对传感器的计数性能影响较小;一定体积内的液体流量与电压脉冲个数成反比;根据输出电压信号可定性地判断液滴在管内运动状态;该传感器在30°～90°的斜面上仍可稳定地对液滴计数,且线性度均为0.9853。本文提出的摩擦电式液滴状态检测传感器,为液滴状态检测技术提供了新的研究思路,推动了管道监测、生物医药等领域的智能化发展。
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