一种微量流体喷射质量匹配算法的研究与设计

王吉松 许海燕

摘要：微量流体喷射技术已逐渐应用于微机械制造、生物工程、制药等领域，在这些领域中，用户对喷射流体的质量尤为关心。该文研究了微量流体喷射应用中对流体质量的影响因素，在保持其他因素不变的条件下，实验验证了流体供给气压与流体质量的线性关系，并设计一种自动匹配算法，该算法的核心是线性拟合与均值法的混合应用，能够自动、快速匹配用户目标质量。最后，构建了一套微量流体喷射质量校验装置，并将该算法应用于此装置，通过实验验证，该算法及其装置能够自动匹配目标质量为0.01mg 及以上单滴质量，且误差在3%以内，满足微滴喷射应用场合的质量要求。

关键词：微滴喷射；质量匹配；算法

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

與传统的减材制造技术相比，增材制造技术由于其材料利用率高等特点，逐渐成为一种具有发展前途的新工艺[1]。微量流体喷射技术作为增材制造工艺的一种，在计算机技术快速发展的今天，广泛应用于制药、生物、芯片制造等领域[2]。微量流体喷射应用场合中，用户对喷射出的微量流体质量的稳定性和准确性尤为关注。据调研发现，目前在超微量流体应用中，用户为达到目标质量要求，会将一定质量的流体分成多滴喷射以提高喷射质量的准确性和稳定性[3]。

在微量流体喷射应用中，一般根据经验值不断调节一些参数，使喷射出的单滴质量达到要求，这样既费时又费力，降低生产效率[4-5]。本论文设计一种微量流体自动匹配算法，在使用过程中用户只需输入目标值，算法会进行自动匹配直至匹配成功，最终将参数反馈给用户，大大提高了生产效率。通过实验验证，该算法能够实现单滴流体质量0.01mg及以上的质量匹配，并误差在3%以内。

1 设计背景

在气动膜片式喷嘴组成的微量流体喷射系统中，影响流体质量的因素有多方面，喷嘴气压、流体供给气压、喷嘴的开、闭阀时间等都可以改变流体质量，这些因素的叠加对流体质量的影响基本无规律可循，因此研究上述因素与喷射液体质量关系曲线是一个复杂的工程。但是，上述因素单方面对流体质量的影响有迹可循，而且在某一种特定应用场合，一般用户会确定某几个因素保持不变，通过改变某一种影响因素实现需求。

本文研究的算法是基于气动膜片式喷嘴组成的系统，设定喷嘴开、闭阀时间及喷嘴气压不变，只通过调节流体供给气压一方面因素来实现流体质量的调节。因此需要研究流体单滴质量与流体供给气压的关系。通过实验，流体单滴质量与流体供给气压关系数据如表1所示。

通过对表1数据分析，可得到图1所示关系曲线。可以看到在气压从3psi到32psi的动态变化下，流体单滴质量基本成线性关系，使用直线拟合时，拟合优度判定系数R2值达到0.993，因此，设定其他影响因素不变，通过改变流体供给气压控制流体质量的方式切实可行，为算法的设计提供了理论基础。

2 算法设计

2.1 算法主体流程

通过上一章节分析可知，保持其他影响因素不变，流体单滴质量与流体气压呈线性关系，因此在算法中通过线性拟合计算寻找目标值。但是由于不同的应用场合、不同流体原料等因素影响，结果呈现的线性关系不同，不能在算法中使用同一线性关系来匹配结果，需要在实际匹配过程中现场自动寻找线性关系，以适应不同的应用场合，达到精准匹配的目的。软件主体流程图如图2所示。

算法软件会自动保存上一次结果，并将此值作为算法起初的初始值，软件执行时首先将此初值与目标值对比，如果满足条件则不需执行匹配算法，反之进入匹配算法，不断与目标值匹配；在算法设计过程中加入了匹配次数的限制，达到一定次数后仍未匹配成功则提示匹配失败，算法终止。

2.2 匹配算法设计

匹配算法的核心是根据不同流体原料能自动对流体质量与供给气压的关系进行线性拟合，依据曲线寻找流体供给气压，使在此气压下的流体质量满足目标质量。如上一小节所述，算法在执行时会将初始值作为直线拟合的一个点，使用高于初始气压值执行第一次匹配，并将结果作为直线的另一点，从而拟合成一条直线，进行目标匹配。匹配算法详细流程图如图3所示。

PL，ML：拟合直线所需一点的供给气压及相应气压下流体质量；

PH，MH：拟合直线所需另外一点的供给气压及相应气压下流体质量；

Px，Mx：匹配过程中拟合得到的供给气压及相应气压下流体质量。

算法进行第一次匹配后得到的结果与初值进行线性拟合，根据匹配目标质量计算出对应所需的流体气压，流体供给气压计算公式如下所示。

其中，PX为线性拟合得出的流体供给气压；MT为匹配目标质量；PL，ML，PH，MH分别为拟合直线所需两点的流体气压和其对应的流体质量。

匹配算法依据公式（1）计算流体气压并将此流体气压下的流体质量与匹配目标质量进行比较，根据比较关系不断调节线性拟合参数直至流体质量最终满足用户目标质量误差范围之内即匹配成功。不同的应用场合，会对流体供給气压的范围提出要求，算法在拟合的过程中加入对拟合出气压进行限制，当流体气压低于或者超过限制气压时，匹配算法终止。

另外，当匹配结果误差在允许范围的两倍以内时，算法创造性的取消线性拟合，而改为流体气压取均值的实用性方法，第3章实验验证了此方法简单、有效、实用性强，能够实现快速精准匹配，提高匹配效率。

3 实验

3.1 实验装置

为验证算法的准确及实用性，本文搭建了简单的实验装置。该装置由气动膜片式喷嘴、称重单元、喷嘴驱动控制器及原料供给、恒压气源单元组成，如图4所示。将设计的匹配算法应用于此实验装置并验证。

3.2 实验结果

将算法应用于图4的实验装置，对某一种流体材料进行测试验证算法的准确性及实用性。主要测试单滴流体质量0.01mg及以上的匹配次数、匹配结果，匹配误差等。实验数据如表2所示。

实验结果分析可得，对于0.01mg～0.20mg范围内，通过匹配算法，匹配次数均在10次以下即可匹配成功，匹配结果误差低于3%。因此，使用此算法可以自动匹配所需单滴流体质量，并得到最终的流体供给气压。

4 结论

微量流体喷射领域对喷射出流体质量的准确度及稳定性尤为关注，应用过程中常常将一定质量流体分解成多滴喷射，以达到精确目的，但是用户通常需要花费大量精力不断调节相关参数来得到相对准确的流体质量，费时费力。本论文调研了影响微滴喷射质量的相关因素，研究在其他因素保持不变的条件下，流体供给气压与微滴质量的关系，在此基础上设计了一种自动匹配算法，该算法的核心是线性拟合与均值法混合应用。最后构建了实验装置，通过实验验证该算法切实可行，效果明显，可满足不同工业化现场应用的目标需求。

参考文献：

[1] 谢丹，张鸿海，舒霞云，等.气动膜片式微滴喷射装置理论分析与实验研究[J].中国机械工程，2012，23（14）：1732-1737.

[2] 张鸿海，舒霞云，肖峻峰，等.气动膜片式微滴喷射系统原理与实验[J].华中科技大学学报，2009，37（12）：100-103.

[3] 卢凌峰.气动阀控式喷头微滴喷射仿真分析与实验研究[D].浙江工业大学，2015.

[4] 刘华勇.高黏度流体微量喷射与控制技术研究[D].华中科技大学，2007.

[5] 张津瑞，肖渊，申松，等.气动式微滴喷射控制系统的设计与实现[J].西安工程大学学报，2017，31（1）：96-98.

【通联编辑：梁书】