基片上小液滴表面形状测量的光学方法

精确地测量附着在固面上液滴的表面形状和尺寸,不仅对研究液滴蒸发机理是必要的,而且对进一步研究固液间的接触角,弄清有关表面张力的物理模型,研究液体对固体的湿润性质也是很重要的。迄今为止,人们对于液体的表面张力,液固之间接触角的认识主要还是建立在Young-Laplace毛细作用方程的物理模型基础之上。认为当液滴静止在水平固面上时,液滴与固面接触处的液面形状呈凸形,如图1所示。近几年来,曾有人试图从分子力的角度 ...     

使用单彩色相机的单相机三维数字图像相关方法

介绍了一种基于单个彩色相机的新型全靶面、单相机三维数字图像相关(3D-DIC)方法。借助于设计巧妙的颜色分光光路,被测物体表面图像可以通过两条不同的光路达到相机靶面,采集的标定靶和实验件表面的彩色图像可以分离得到蓝色和红色子图像。通过使用3D-DIC分析标定靶和实验件表面分离后的蓝色和红色子图像,可以获得物体表面的三维形貌和变形。形貌测量、面内和离面平移、以及静动态三维变形实验验证了该单彩色相机3D-DIC方法的有效性和测量精准度。由于可避免双相机同步,且能实现无分辨率损失的全靶面三维形貌和变形测量,本文方法在需要实现瞬态位移和变形测量的爆炸、冲击、振动等领域中具有广阔重要的应用前景。     

基于体视显微镜的测量系统标定研究

微观三维变形测量系统在工程上有广泛的应用。本文构建了体视显微镜双相机微观图像采集与测量系统,可以实现对微小物体形貌、位移、变形的全场测量。微观三维变形的测量精度与成像系统的畸变模型存在密切的关系。本文采用了考虑多种不确定情况的畸变模型,能很好地表达体视显微镜测量系统的成像误差,并设计了点阵式标定模板和精密的平动平台,实现了基于Tsai标定的自动标定算法。实验表明,体视显微镜测量系统可以在各种放大倍数下稳定工作,标定的精度得到很大的提高,并给出了在不同放大倍数下对规则圆柱体的形貌和直径的测量结果。     

基于光斑投影3D-DIC的动态液面波高场测量方法研究

动态液面波高场测量与面型三维重建是流体力学、晃荡动力学等研究领域中的重要问题,但目前仍缺乏一种简易且高效的高精度全场测量手段.基于光斑投影和三维数字图像相关(3D digital image correlation, 3D-DIC)原理,提出了一种动态液面波高场的测量方法.通过液体染色和光斑投影,在液体表面形成光斑纹理,设置双目相机拍摄动态液面的散斑图像.运用交比不变性标定板及张正友标定法获得双目相机内外参矩阵,并基于反向组合高斯牛顿(inverse-compositional Guass-Newton, IC-GN)的3D-DIC算法实现动态液面波高场的高精度三维重构.进一步建立光斑投影的几何光学模型,模拟规则波液面的双目图像,开展数值模拟测量以验证本方法的理论精度,同时开展真实液面波高场的测量验证.结果表明,本方法可实现动态液面波高场的高精度全场测量,模拟液面测量的均方差为0.004 mm,真实静态液面抬升测量的均方差为0.022 mm,真实动态液面测量的均方差小于0.037 mm.本文方法具有高精度、非接触和全场测量等优势,可在实验室流体测量和相关工程场景中推广应用.     

离散型织构表面液滴的铺展及其接触线的力学特性分析

针对离散型织构表面上液滴的铺展过程,采用数值模拟和润湿性实验相结合的方法,引入织构润湿因子θ*,得到了不同类型的离散型织构对固体表面润湿性的影响,在此基础之上分析了液滴铺展过程中接触线的力学特性,以期从微观界面力学的角度解释微织构对液滴铺展过程的促进作用.研究表明:离散型织构增大了液滴铺展过程中的固-液接触面积,位于铺展前沿的液体分子部分浸润织构内部,导致液面曲率和液滴内部的拉普拉斯压力增大,相邻离散型织构间的液体获得了额外的驱动力和能量,铺展速度加快,平衡接触角减小;槽状离散型织构对表面润湿性的影响程度最大,液滴在其上铺展过程具有各向异性特性.另外数值仿真分析表明,接触线的钉扎效应与固体表面粗糙度的大小和微织构类型密切相关,表面粗糙度越大,钉扎效应越明显,其中槽状织构对接触线的钉扎作用还具有方向性.      

液滴冲击液面过程中变形特征的实验研究

用高速相机拍摄了液滴以不同速度冲击液面的运动过程,测量了冲击过程中典型时刻液坑、中心液柱、次生液滴和次生液柱的几何尺寸,对这些几何尺寸的最大值与韦伯数(We)的关系进行了回归分析,结果表明:空间上,液坑的最大垂直深度、液坑的最大水平长度、中心液柱的最大高度、次生液滴等效直径和次生液柱的最大高度随We数增加呈线性增加;次生液滴等效直径是初始液滴等效直径的1.2～2倍;当200We220时,次生液滴冲击液面没有次生液柱生成,当360We713时,有次生液柱形成,220≤We≤360为过渡区;时间上,We数越大,运动过程中液坑的大小和中心液柱的高度变化越快,液坑和中心液柱持续时间越长,中心液柱达到最大高度的时刻以及破碎生成次生液滴的时刻也越晚。     

回转体三维扫描形貌测量及其应用

本文提出一种测量三维形貌的扫描系统,该系统可被用于测量回转体的三维形貌。激光光刀被投射在被测物体表面,由于被测物体表面的形貌而改变了光刀的弯曲方式,摄像机将变形后的图像采集到计算机中。当被测物体放置在转台上旋转一周时,相应的一系列光刀变形的图片被采集到计算机中,这一系列图片包含了物体表面形貌的全部信息。通过连续扫描采集系列图片并计算,最终可以获得整个被测物体的三维形貌。当被测物体直径在一百毫米左右尺寸范围内的测量灵敏度可到0.01mm,其它尺寸范围要更换成像系统,才能达到相应的灵敏度。本文给出了两个较为复杂模型的三维形貌测量结果。该结果表明,本系统在对回转体表面形貌的测量方面具有一定的技术难度和广泛的工程需求,本文的研究具有重要的参考价值。     

微尺度位移、形貌测量系统及应用

研制了一套可应用于MEMS器件的微尺度测量系统,可以在受载状态下实时检测MEMS器件的面内位移、离面位移和三维形貌.该系统中,面内位移测量是一个基于白光数字散斑相关方法的显微光学测量系统,与相应的力学加载系统结合,可以得到MEMS器件在受载状态下的实时面内位移;离面位移和三维形貌测量则是一个基于相移显微投影光栅方法的光学测量系统,与相应的力学加载系统结合,可以得到MEMS器件在受载状态下的实时三维形貌和离面位移.最后给出了几个典型的MEMS器件面内位移、离面位移和三维形貌的实测结果.     

用DSPI方法和栅线投影法测量任意曲表面的三维变形

本文采用数字散斑干涉法和栅线投影法同时测量了任意曲表面的三维位移和三维形貌，并运用数字图像处理技术分析了曲表面的三维应变场，用实验方法获得了曲表面的主应变和主方向。     

基于Haar小波变换的位移场测量方法

本文提出了一种应用小波变换对固体表面位移场进行测量的新方法，在图像分析时，用各点属于不同尺度的小波变换系数来表征该点周围的子区。将试件表面位移前后的两幅数字图像进行小波变换，通过变形前后两幅图像小波变换系数之间的相互匹配，使位移前后两幅图中的子区对应起来，从而确定图像的位移场。本文应用Haar小波变换进行了计算机模拟实验和实物位移实验。引入亚像素技术，获得了0．02的位移测量精度。     

微尺度位移、形貌测量系统及应用

研制了一套可应用于MEMS器件的微尺度测量系统，可以在受载状态下实时检测MEMS器件的面内位移、离面位移和三维形貌。该系统中，面内位移测量是一个基于白光数字散斑相关方法的显微光学测量系统，与相应的力学加载系统结合，可以得到MEMS器件在受载状态下的实时面内位移；离面位移和三维形貌测量则是一个基于相移显微投影光栅方法的光学测量系统，与相应的力学加载系统结合，可以得到MEMS器件在受载状态下的实时三维形貌和离面位移。最后给出了几个典型的MEMS器件面内位移、离面位移和三维形貌的实测结果。     

剪切变稀流体液滴撞击疏水表面回弹现象及最大铺展的研究

非牛顿流体液滴撞击固体表面的行为广泛存在于多种工农业生产中, 然而目前相关研究主要关注牛顿流体, 非牛顿流变特性对液滴撞击动力学的影响机制还有待探索. 本文研究了纯剪切变稀流体(质量分数≤ 0.03%的黄原胶水溶液)液滴撞击疏水表面后的最大铺展及回弹行为. 通过高速摄像技术捕获液滴撞击疏水表面的运动过程及形态变化, 研究了液滴的铺展回缩过程. 实验结果表明, 在相同We下, 剪切变稀特性对液滴撞击疏水表面后的铺展阶段影响很小, 但对回缩阶段影响很大. 黄原胶浓度增加使得液滴依次表现出部分回弹、完全回弹和表面沉积三种不同的回弹行为. 利用能量守恒定律推导出了液滴能在疏水表面上回弹的临界无量纲高度ξ_c理论值. 发现牛顿流体与非牛顿流体液滴最大无量纲高度ξ_max均符合标度律ξ_max ~ αWe斜率随黄原胶浓度增大而减小. 基于有效雷诺数Re_eff, 提出了一种有效黏度μ_eff表达式, 并据此建立了剪切变稀流体的最大无量纲直径β_max预测模型. 该模型在较广We区间与实验测量值取得了良好一致.      

表面活性剂溶液界面拉压驱动液滴浸润性响应

液体表面的流体铺展在许多工程领域中具有广泛的应用前景。本文提出通过挡板对底液表面的拉压实现液滴的动态浸润响应,以正十六烷为受驱动液滴、十二烷基硫酸钠溶液为基底溶液组成浸润实验体系。挡板向外拉伸时,表面活性剂分子面密度降低,铺展系数增大,液滴铺展;挡板向内挤压时,表面活性剂分子面密度增大,铺展系数减小,液滴收缩。挡板往复运动实现了液滴的浸润性响应调控,这一工作为实现界面液膜的调节提供了新的思路。

     

纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究

纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.      

基于DIC的印制线路板三维形貌高精度测量

生产过程中对产品三维形貌的高精度实时测量是有效的质量监控手段,具有迫切的需求。本文基于三维数字图像相关(DIC-3D)方法,全场测量了印制线路板上的台阶状焊点和印制线路,得到焊点大小、高度和印制线路线宽、线高等三维形貌数字图像数据;使用台阶仪采集面内和离面形貌数据,并进行比较。实验结果表明,三维数字图像相关方法在测量印制线路板形貌时,可测量出十数微米高的印刷线路台阶,精度达3μm;对500×500pixels图像,在i7 4790k CPU硬件条件,步长3pixels、子区19×19pixels的参数下,立体图像的重建速度小于1s,可满足线路板的在线实时检测。     

基于单像素成像的微小位移测量方法

激光散斑位移测量法是一种重要的现代光学位移测量方法,由于受到图像传感器元件感光性能限制,难以在强干扰光条件下获得有效散斑场信息,进而无法获取位移场数据,因此,基于单像素成像技术,本文提出一种新的激光散斑位移测量方法:对散斑信息进行图案编码调制,并使用单像素探测器采集调制后的光强信息;利用Walsh-Hadamard Transformation(WHT)成像算法对散斑场图像进行重建;最后结合自相关算法确定物体的位移场信息。分别利用商业相机和单像素成像技术对散射介质的单轴微小位移进行测量,结果表明基于单像素成像技术的激光散斑位移测量技术可以获得较好的测量结果。相比于传统测量方法,基于单像素成像技术的激光散斑位移测量方法在复杂环境中具有一定的优势,可实现强光干扰下的位移场测量。     

DVC中内部散斑质量评价及计算体素点的优化选择

数字体图像相关方法(digital volume correlation, DVC)是一种可测量物体内部三维全场变形的先进实验力学测试技术, 通过分析由体图像成像设备(如X-ray CT)获取的物体变形前后的三维体图像, DVC可获得物体内部具有亚体素精度的三维变形信息. 在应用DVC测量内部变形时, 被测试样体图像的内部散斑质量对其测量精度有着重要影响. 本文从DVC算法位移测量误差的理论分析和数值模拟实验两方面证实了DVC的位移测量误差与计算子体块的灰度梯度平方和(sum of square subvolume intensity gradient, SSSIG)值呈负相关关系, 即: 计算子体块的SSSIG值越大, 其位移测量精度越高, 因此SSSIG可用于体图像内部散斑质量的定量评价. 尽管直接增加计算子体块尺寸可以增加SSSIG, 但是较大计算子体块内更多的计算点会导致计算量的显著增加. 为此, 本文进一步提出一种计算体素点优化选择方法, 该方法通过将计算子体块中灰度梯度较小的体素点剔除出计算, 以实现在增大计算子体块尺寸的同时不会显著增加计算量. 模拟和真实实验结果显示了该计算体素点优化选择方法的有效性.      

基于偏振投影与空域耦合的两步相移测量方法

栅线投影测量是一种被广泛采用的非接触、高精度三维形貌测量方法。然而由于时间相移技术不能在同一时刻采集相移图像,导致这一技术在工业在线检测中难以发挥应有的作用,因此本文结合偏振相机技术,提出了一种基于双偏振投影校正的空间相移测量方法。该方法通过在一对投影仪镜头前加装偏振方向正交的线偏振片,并采用本文提出的投影仪自校正方法,将具有恒定相移量、但偏振方向不同的相移栅线图案投影到待测物体表面,利用偏振相机单帧采集即可获得不同偏振方向的2幅相移图像,从而实现空间两步相移。实验结果表明,该方法对于非消偏振表面具有很好的测量效果,2幅相移图像的采集时间与相机曝光时间相同,可以用于在线测量。     

毛细管出口表面活化剂包覆液滴形成过程研究 1)

本文研究了竖直毛细圆管出口表面活化剂包覆液滴的形成过程。基于泰勒展开和润滑近似理论, 建立了液滴形成过程的一维动力学模型,并且通过坐标变换和有限差分的方法进行了数值求解。结果显示, 液滴自由面上表面活化剂包覆层可促进液滴颈部断裂,加快液滴头部与尾部锥形区的分离过程。与此同时, 还可增大颈部断裂前液滴下落的极限位移。与表面活化剂的活性相比, 液滴自由面上表面活化剂浓度的变化对液滴形成过程以及液滴形貌变化的影响更为显著。     

纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究

纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.