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　　（1. 清华大学化学工程系，北京100084； 2. 清华大学化学工程联合国家重点实验室，北京100084 ）

　　摘 要 微分散是微化工技术的重要组成部分，传统利用显微摄像分析和统计微分散液滴的方法成本高，不易推广。提出了一种基于光纤传感的微分散液滴在线检测技术，该方法基于漫反射光纤、光纤传感器、数据采集卡和LabVIEW程序实现了微通道内液滴生成频率和长度的在线 mm以上直径液滴的检测，检测频率上限为500 Hz，当液滴通过光纤时间超过15 ms时，还可检测液滴长度。研究结果表明光纤直径和光纤传感器响应时间是影响该方法检测性能的主要因素，与相似平台对比，以较低的成本实现了较高检测性能。

　　微分散技术是利用微结构元件生成微小液滴的技术，可显著提升相间传质、传热等性能 [1] 。微分散过程中液滴生成频率可达到数百赫兹 [2] 且形成液滴的单分散性好 [ 3-4] ，具有很高的经济价值 [5] ，可用于化学反应控制、混合性能增强、反应温度调节等 [ 6-9] ，也可用于生物、医药、光化学、材料制备、仪器校准等诸多领域 [ 10-16] 。液滴作为微分散过程的产物，其生成频率和尺寸大小影响其工作性能，对液滴的快速在线检测十分重要。针对微分散技术的特性，适用于在线检测液滴的方法应当具有结构简单、成本低、集成性好的特点 [17] ，现有的液滴检测方法受限于检测原理或技术手段难以兼具上述要求。

　　目前，微分散液滴检测技术主要包括显微图像法及信号检测法等。显微图像法主要利用高速相机和显微镜进行微分散过程的拍摄，通过统计一定拍摄时间内的液滴数目计算液滴的生成频率或利用图像处理技术实现高精度的液滴形貌检测 [ 18-21] 。受限于显微镜和高速相机的精密性与成本，显微图像识别方法主要被实验室研究采用。而液滴信号检测法主要通过化学试剂和传感装置探测液滴产生的信号对液滴进行识别和检测，适合发展为在线检测技术。可利用的信号包括激光诱导荧光、电化学信号、光电信号等。其中激光诱导荧光和电化学检测平台较为复杂，对于被测体系有特定要求 [ 22-28] 。光电检测方法则主要利用液滴与连续相不同的光学性质（例如折射率、吸光度等）形成的光电信号差异进行液滴检测 [27] 。由于光电检测器件的高度市场化，这种方法具有较大的推广潜力 [29] 。

　　吸光度是较早应用的光电信号，其理论依据是Lambert-Beer定律。Neil等 [30] 使用两面相对的反射镜多次反射，应用光带腔增强微通道芯片内液滴对光的吸收并使用光栅分解出射光，增强了吸光度的信号强度，实现了生成频率273 Hz、直径约0.3 mm的液滴的检测。利用微分散体系中两相折射率不同的特点进行液滴检测，Trivedi等 [31] 将两根光纤固定至微通道两侧相对位置，一端通过LED光源发射可见光，另一端接收穿过微通道的可见光并使用光电传感器记录信号。该方法可检测体积为2 μl、生成频率200 Hz的液滴。阮琰 [32] 利用光学透镜分别设计了聚焦光路和线形光路检测微通道内液滴，在微通道一侧设置光源和透镜，另一侧相对位置设置电荷耦合器件，根据光强度变化判断是否有液滴通过，当液滴生成频率小于10 Hz时可准确检测直径0.25 mm的液滴。郎明远 [33] 在光学透镜的基础上，使用8个光纤和光电检测单元组成了光电检测阵列，实现了多通道液滴的高频检测，单通道检测频率达到了1000 Hz。以上研究结果表明，应用光学透镜和电荷耦合器件等光电设备可实现液滴生成频率和液滴大小的高精度检测，但检测平台结构仍需简化以提高液滴检测平台与微通道的集成性能，检测设备成本也可进一步降低。

　　本文基于商品化的漫反射光纤，结合光纤传感器、数据采集卡、LabVIEW控制程序设计一种结构简单、低成本的微分散液滴在线检测模块和方法，并且通过与显微图像对比分析影响检测精度的主要因素。

　　漫反射型光纤是一种将光纤的发射端和接收端集成一体的光纤元件，其外形和横截面如图1 (a)所示。在光纤端发射和接收光纤被封装在一起，形成一个尖端结构，其中单个光纤的直径记为 D OF ；在传感器端发射光纤和接收光纤分别被连接至数字光纤传感器的光源接口和检测器接口。将漫反射光纤置于微通道一侧，光路如图1 (b)所示，可见无液滴通过检测区域和有液滴通过检测区域时，光路明显存在差别。当微通道中没有液滴通过时，光进入连续相流体并在通道另一侧发生漫反射，部分反射光被光纤接收，形成检测信号。当有液滴通过时，光路由于液滴的折射发生改变，原先部分可被接收的反射光线无法到达光纤接收端，造成检测光强下降，通过分析这种光强信号变化即可判断是否有液滴通过光纤检测区域。

　　使用漫反射光纤、数字光纤传感器、数据采集卡组成的检测系统结构如图2 所示。分别选择 D OF =0.5 mm和0.25 mm两种光纤进行实验。数字光纤传感器（FS-N系列，基恩士公司）具有内置的LED光源和光电传感器，可接收光信号并进行光电信号转换。光纤传感器的重要性能参数之一是响应时间 τ ，反映了传感器对于快速运动液滴的感知能力。本工作使用的光纤传感器为数字信号传感器，输出结果为1和0（即有/无分散相通过）。响应时间指从接收光强信号低于设定阈值到输出数字信号发生改变的时间间隔，实验中使用了1、4、10 ms三种响应时间的数字光纤传感器。数字光纤传感器输出的数字信号由数据采集卡（USB-6361型，National Instrument）采集，信号采集频率为10000 Hz。

　　为了判断光纤检测结果的可靠性和实验误差，在微通道实验平台上设置了显微镜（XSP-63B型，上海光学仪器厂）与高速相机（Mini WX100型，FASTCAM），用于拍摄并记录通过检测区域的液滴。相机拍摄频率为2000 Hz，是液滴最高生成频率的5倍以上，图像分辨率达0.005 mm/pix，约为液滴直径的1/40，因此根据高速相机拍摄的图像可确定液滴的真实生成频率和形貌。实验中，计算机可接收摄像机拍摄的图像信号和数据采集卡采集的数字信号，根据录像确定液滴的生成频率和长度，与光纤检测数据进行比较即可确定光纤检测方法的可靠性。

　　光纤数据处理与图像显示程序使用LabVIEW 2015（National Instrument）软件编写，该程序能够采集传感器传递的信号并实时生成方波图，如图3 (a)所示，相应的液滴显微图像如图3 (b)所示。利用该程序可实现液滴的自动计数，其原理是记录一定时间内采集的方波数目，一个方波对应一个液滴，据此可计算液滴的生成频率 f m ，即液滴数目 n m 与采集时间 t 之比，如式(1) 所示。

　　与此同时，高速相机可以录制一定时长的录像，通过录像中的液滴数目 n r 与采集时间 t 之比即可计算液滴的实际生成频率 f r ，如式(2) 所示。

　　液滴生成频率的准确测量与液滴大小密切相关。实验中利用微通道扩大结构降低微分散液滴的运动速度，使液滴呈现球形状态，进而测量了显微录像中球形液滴的直径 D d,r, i 并取平均值 ，如式(3) 所示。该直径可准确反映液滴的体积，因此被用于反映液滴生成频率的有效检测范围。

　　如图3 (a)所示，当液滴通过检测区域时，传感器会持续输出信号1，该信号长度反映了微通道内液滴的长度。由于液滴在通道内高速运动，其形状可能偏离球形，因此对液滴长度的准确测量也是认识微分散液滴形貌特征的重要手段。本实验中，错流剪切微通道的光纤接口位置接近液滴的生成位置，受到分散相流动影响，连续相在分散相入口位置和光纤接口位置之间尚未形成完全发展的层流。连续相流速分布与通道入口段相似，因此可以将两相宏观流速 u av [ u av =( Q c + Q d )/ HW ]近似为单个液滴的运动速度 u d, i ，再将单个液滴响应信号时间 t d, i （方波宽度）乘以液滴流速 u d, i 即可计算液滴长度，如式(4) 所示。

　　式中， L d,m, i 是单个液滴的光纤测量长度。为了证实光纤传感器的准确性，实验通过高速相机拍摄所得图像[图3 (b)]以及比例尺计算得到了液滴的实际长度 L d,r, i ，并统计出平均长度 ，如式(5) 所示。将平均测量长度 与平均实际长度 对比，分析了光纤测量方法的准确性和限制条件。

　　实验使用的微通道是错流剪切型微通道，其外形和结构参数如图4 所示。该通道通过3D打印机加工制作（Objet Eden 260VS型，Stratasys）。主通道高 H 和宽 W 均为0.74 mm，连续相通过PFA管（内径 D T =0.75 mm）注入主通道内，分散相使用规格为G22的不锈钢针头（Arohalona）从与主通道垂直的方向注入，针头外径 D OD =0.72 mm，内径 D ID =0.42 mm。在通道下游设有一个宽度扩大的观察窗口，可使液滴流速降低便于观察。观察窗口宽度 W w =1.5 mm，高度 H w =0.74 mm，实验中球形液滴的直径测量图片均来自该观察窗口。微通道在液滴生成位点下游设有光纤接口，光纤通过螺纹旋进一定深度后，末端与微通道平齐，光纤所对应的通道区域即为检测区域，接口前端直径 D F =1.5 mm，后端直径 D B =0.8 mm。光纤发射端和接收端与连续相直接接触，减少了通道材料对检测的影响。

　　实验使用的连续相为含1%（质量分数）十二烷基硫酸钠（SDS，国药集团）的水溶液，其折射率可近似认为与纯水相同，25℃实验温度下约为1.333。分散相是氟化冷却液NOVEC 7100（3M公司），其成分是同分异构体全氟丁基甲醚[(CF 3 ) 2 CFCF 2 OCH 3 ]和甲基九氟丁醚（CF 3 CF 2 CF 2 CF 2 OCH 3 ）的混合物。该冷却液与水不互溶且不腐蚀通道，实验温度下其折射率约为1.285。连续相和分散相分别使用注射泵（Fusion 6000型，Chemyx）注射。在实验中分别改变连续相和分散相流量以得到不同生成条件的液。