一種微量流體噴射質(zhì)量匹配算法的研究與設(shè)計

王吉松 許海燕

摘要：微量流體噴射技術(shù)已逐漸應(yīng)用于微機械制造、生物工程、制藥等領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，用戶對噴射流體的質(zhì)量尤為關(guān)心。該文研究了微量流體噴射應(yīng)用中對流體質(zhì)量的影響因素，在保持其他因素不變的條件下，實驗驗證了流體供給氣壓與流體質(zhì)量的線性關(guān)系，并設(shè)計一種自動匹配算法，該算法的核心是線性擬合與均值法的混合應(yīng)用，能夠自動、快速匹配用戶目標質(zhì)量。最后，構(gòu)建了一套微量流體噴射質(zhì)量校驗裝置，并將該算法應(yīng)用于此裝置，通過實驗驗證，該算法及其裝置能夠自動匹配目標質(zhì)量為0.01mg 及以上單滴質(zhì)量，且誤差在3%以內(nèi)，滿足微滴噴射應(yīng)用場合的質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：微滴噴射；質(zhì)量匹配；算法

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）25-0251-03

A Research and Design of Microfluid Injection Quality Matching Algorithm

WANG Ji-song， XU Hai-yan

（School of Computer Science and Technology， Huaiyin Normal University， Huaian 223300， China）

Abstract： The microfluidic injection technology has been gradually applied in the fields of micro-machine manufacturing， bio-engineering， and pharmaceuticals. In these fields， users are particularly concerned about the quality of the injected fluid. This paper studies the factors that affecting fluid quality in microfluidic spray applications. Under the condition of keeping other factors unchanged， the experiment verifies the linear relationship between fluid supply pressure and fluid quality， and designs an automatic matching algorithm. The core of this algorithm is the hybrid application of linear fitting and averaging method， which can be match user target quality automatically. Finally， a set of microfluid ejection quality calibration device was constructed， And apply this algorithm to this device. Through experimental verification， the algorithm and its device can automatically match the single-drop quality with a target mass of 0.01mg or more， and the error is within 3%，It meets the quality requirements for droplet ejection applications.

Key words： droplet ejection； quality matching； algorithm

與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)由于其材料利用率高等特點，逐漸成為一種具有發(fā)展前途的新工藝[1]。微量流體噴射技術(shù)作為增材制造工藝的一種，在計算機技術(shù)快速發(fā)展的今天，廣泛應(yīng)用于制藥、生物、芯片制造等領(lǐng)域[2]。微量流體噴射應(yīng)用場合中，用戶對噴射出的微量流體質(zhì)量的穩(wěn)定性和準確性尤為關(guān)注。據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前在超微量流體應(yīng)用中，用戶為達到目標質(zhì)量要求，會將一定質(zhì)量的流體分成多滴噴射以提高噴射質(zhì)量的準確性和穩(wěn)定性[3]。

在微量流體噴射應(yīng)用中，一般根據(jù)經(jīng)驗值不斷調(diào)節(jié)一些參數(shù)，使噴射出的單滴質(zhì)量達到要求，這樣既費時又費力，降低生產(chǎn)效率[4-5]。本論文設(shè)計一種微量流體自動匹配算法，在使用過程中用戶只需輸入目標值，算法會進行自動匹配直至匹配成功，最終將參數(shù)反饋給用戶，大大提高了生產(chǎn)效率。通過實驗驗證，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)單滴流體質(zhì)量0.01mg及以上的質(zhì)量匹配，并誤差在3%以內(nèi)。

1 設(shè)計背景

在氣動膜片式噴嘴組成的微量流體噴射系統(tǒng)中，影響流體質(zhì)量的因素有多方面，噴嘴氣壓、流體供給氣壓、噴嘴的開、閉閥時間等都可以改變流體質(zhì)量，這些因素的疊加對流體質(zhì)量的影響基本無規(guī)律可循，因此研究上述因素與噴射液體質(zhì)量關(guān)系曲線是一個復(fù)雜的工程。但是，上述因素單方面對流體質(zhì)量的影響有跡可循，而且在某一種特定應(yīng)用場合，一般用戶會確定某幾個因素保持不變，通過改變某一種影響因素實現(xiàn)需求。

本文研究的算法是基于氣動膜片式噴嘴組成的系統(tǒng)，設(shè)定噴嘴開、閉閥時間及噴嘴氣壓不變，只通過調(diào)節(jié)流體供給氣壓一方面因素來實現(xiàn)流體質(zhì)量的調(diào)節(jié)。因此需要研究流體單滴質(zhì)量與流體供給氣壓的關(guān)系。通過實驗，流體單滴質(zhì)量與流體供給氣壓關(guān)系數(shù)據(jù)如表1所示。

通過對表1數(shù)據(jù)分析，可得到圖1所示關(guān)系曲線?？梢钥吹皆跉鈮簭?psi到32psi的動態(tài)變化下，流體單滴質(zhì)量基本成線性關(guān)系，使用直線擬合時，擬合優(yōu)度判定系數(shù)R2值達到0.993，因此，設(shè)定其他影響因素不變，通過改變流體供給氣壓控制流體質(zhì)量的方式切實可行，為算法的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

2 算法設(shè)計

2.1 算法主體流程

通過上一章節(jié)分析可知，保持其他影響因素不變，流體單滴質(zhì)量與流體氣壓呈線性關(guān)系，因此在算法中通過線性擬合計算尋找目標值。但是由于不同的應(yīng)用場合、不同流體原料等因素影響，結(jié)果呈現(xiàn)的線性關(guān)系不同，不能在算法中使用同一線性關(guān)系來匹配結(jié)果，需要在實際匹配過程中現(xiàn)場自動尋找線性關(guān)系，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，達到精準匹配的目的。軟件主體流程圖如圖2所示。

算法軟件會自動保存上一次結(jié)果，并將此值作為算法起初的初始值，軟件執(zhí)行時首先將此初值與目標值對比，如果滿足條件則不需執(zhí)行匹配算法，反之進入匹配算法，不斷與目標值匹配；在算法設(shè)計過程中加入了匹配次數(shù)的限制，達到一定次數(shù)后仍未匹配成功則提示匹配失敗，算法終止。

2.2 匹配算法設(shè)計

匹配算法的核心是根據(jù)不同流體原料能自動對流體質(zhì)量與供給氣壓的關(guān)系進行線性擬合，依據(jù)曲線尋找流體供給氣壓，使在此氣壓下的流體質(zhì)量滿足目標質(zhì)量。如上一小節(jié)所述，算法在執(zhí)行時會將初始值作為直線擬合的一個點，使用高于初始氣壓值執(zhí)行第一次匹配，并將結(jié)果作為直線的另一點，從而擬合成一條直線，進行目標匹配。匹配算法詳細流程圖如圖3所示。

PL，ML：擬合直線所需一點的供給氣壓及相應(yīng)氣壓下流體質(zhì)量；

PH，MH：擬合直線所需另外一點的供給氣壓及相應(yīng)氣壓下流體質(zhì)量；

Px，Mx：匹配過程中擬合得到的供給氣壓及相應(yīng)氣壓下流體質(zhì)量。

算法進行第一次匹配后得到的結(jié)果與初值進行線性擬合，根據(jù)匹配目標質(zhì)量計算出對應(yīng)所需的流體氣壓，流體供給氣壓計算公式如下所示。

其中，PX為線性擬合得出的流體供給氣壓；MT為匹配目標質(zhì)量；PL，ML，PH，MH分別為擬合直線所需兩點的流體氣壓和其對應(yīng)的流體質(zhì)量。

匹配算法依據(jù)公式（1）計算流體氣壓并將此流體氣壓下的流體質(zhì)量與匹配目標質(zhì)量進行比較，根據(jù)比較關(guān)系不斷調(diào)節(jié)線性擬合參數(shù)直至流體質(zhì)量最終滿足用戶目標質(zhì)量誤差范圍之內(nèi)即匹配成功。不同的應(yīng)用場合，會對流體供給氣壓的范圍提出要求，算法在擬合的過程中加入對擬合出氣壓進行限制，當(dāng)流體氣壓低于或者超過限制氣壓時，匹配算法終止。

另外，當(dāng)匹配結(jié)果誤差在允許范圍的兩倍以內(nèi)時，算法創(chuàng)造性的取消線性擬合，而改為流體氣壓取均值的實用性方法，第3章實驗驗證了此方法簡單、有效、實用性強，能夠?qū)崿F(xiàn)快速精準匹配，提高匹配效率。

3 實驗

3.1 實驗裝置

為驗證算法的準確及實用性，本文搭建了簡單的實驗裝置。該裝置由氣動膜片式噴嘴、稱重單元、噴嘴驅(qū)動控制器及原料供給、恒壓氣源單元組成，如圖4所示。將設(shè)計的匹配算法應(yīng)用于此實驗裝置并驗證。

3.2 實驗結(jié)果

將算法應(yīng)用于圖4的實驗裝置，對某一種流體材料進行測試驗證算法的準確性及實用性。主要測試單滴流體質(zhì)量0.01mg及以上的匹配次數(shù)、匹配結(jié)果，匹配誤差等。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

實驗結(jié)果分析可得，對于0.01mg～0.20mg范圍內(nèi)，通過匹配算法，匹配次數(shù)均在10次以下即可匹配成功，匹配結(jié)果誤差低于3%。因此，使用此算法可以自動匹配所需單滴流體質(zhì)量，并得到最終的流體供給氣壓。

4 結(jié)論

微量流體噴射領(lǐng)域?qū)娚涑隽黧w質(zhì)量的準確度及穩(wěn)定性尤為關(guān)注，應(yīng)用過程中常常將一定質(zhì)量流體分解成多滴噴射，以達到精確目的，但是用戶通常需要花費大量精力不斷調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)來得到相對準確的流體質(zhì)量，費時費力。本論文調(diào)研了影響微滴噴射質(zhì)量的相關(guān)因素，研究在其他因素保持不變的條件下，流體供給氣壓與微滴質(zhì)量的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種自動匹配算法，該算法的核心是線性擬合與均值法混合應(yīng)用。最后構(gòu)建了實驗裝置，通過實驗驗證該算法切實可行，效果明顯，可滿足不同工業(yè)化現(xiàn)場應(yīng)用的目標需求。

參考文獻：

[1] 謝丹，張鴻海，舒霞云，等.氣動膜片式微滴噴射裝置理論分析與實驗研究[J].中國機械工程，2012，23（14）：1732-1737.

[2] 張鴻海，舒霞云，肖峻峰，等.氣動膜片式微滴噴射系統(tǒng)原理與實驗[J].華中科技大學(xué)學(xué)報，2009，37（12）：100-103.

[3] 盧凌峰.氣動閥控式噴頭微滴噴射仿真分析與實驗研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

[4] 劉華勇.高黏度流體微量噴射與控制技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)，2007.

[5] 張津瑞，肖淵，申松，等.氣動式微滴噴射控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報，2017，31（1）：96-98.

【通聯(lián)編輯：梁書】