一种液滴撞击液膜可视化实验平台及其使用方法与流程

本发明涉及一种液滴撞击液膜可视化实验平台及其使用方法，属于仪器、仪表技术领域。

背景技术：

随着社会经济的发展和科技的进步，液滴在工业、医学、生活中都有越来越广泛的应用，如发动机的燃油燃烧前相关的油滴研究、打印机的喷墨研究、喷淋杀菌冷却隧道的研究、石油开采以及化学材料制备设备领域的研究等。液膜流动广泛存在于自然界中，液膜传热冷却作为一种高效传热传质技术被应用于很多领域，例如，喷雾冷却、热喷涂等。

液滴碰撞流动液膜是典型的自由表面流动问题，是流体力学研究的热点问题之一，对液滴碰撞问题进行研究具有重要的理论和现实意义，研究结果可用于指导工程实际。而液滴种类、液滴直径、液滴数量、液滴撞击角度及液滴撞击速度等是液滴碰撞液膜产生不同碰撞特性的主要影响因素，因此，为了对液滴碰撞流动液膜进行深入研究，必须设计一种可产生不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴撞击不同种类、不同倾角及不同速度的液膜可视化实验平台。

目前，已有的液滴撞击液膜实验平台大多结构复杂，实现成本高，且液滴直径的精度控制不精确以及滴落速度与目标值的误差较大，功能上不能连续产生参数相同的液滴，不能使液滴具有准确的撞击角度，也未能实现产生各项参数大小可调的液滴。此外，液膜产生方法及原理不尽相同，较为广泛使用的是采用溢流方法产生厚度可调的流动液膜，但溢流法产生的液膜存在厚度控制不精确，液膜流速、倾斜角不可调，且不能同时改变液膜多个参数等缺点。目前已有的液膜均为静止液膜，涉及移动液膜的专利暂无。

技术实现要素：

本发明目的在于：为了深入探索液滴碰撞流动液膜，研究液滴碰撞液膜表面产生不同碰撞特性的主要影响因素——液滴种类、液滴直径、液滴数量、液滴撞击角度、液滴撞击速度、液膜种类、液膜倾角及液膜流速等对实验结果的影响，使液滴更多、更便捷地应用于工业、医学、生活中。本发明提供了一种液滴撞击液膜可视化实验平台及其使用方法，可稳定持续产生不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴，撞击不同种类、不同倾角及静止液膜和不同流速的液膜。

为实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

一种液滴撞击液膜可视化实验平台，所述平台包括液滴生成装置、液膜生成装置、液膜移动装置、图像采集及检测系统、控制处理系统；所述控制处理系统与液滴生成装置、液膜生成装置、液膜移动装置、图像采集及检测系统相互协作，实现不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴滴落至不同种类、不同倾角、不同流动速度液膜的实验研究；

所述的控制处理系统，包括PC输入端、中央处理器、显示器、控制模块，该系统以中央处理器为核心，单向接受PC输入端的目标信息，单向输出信息至显示器，双向接受并反馈控制模块的信号；

所述液滴生成装置，包括注射泵，不锈钢管，避震软管，小球发射器，孔板，针管，液滴，偏转电场板，延时控制器，光屏障，连杆，多普勒测速仪，测速仪移动轴；所述不锈钢管一端与注射泵相连，另一端与孔板相连，且不锈钢管中间嵌有一段避震软管；所述孔板上插有针管，液滴从针管中滴落；所述小球发射器置于避震软管下方的不锈钢管左边，通过控制模块传输信号；所述针管下方设有偏转电场板；所述注射泵推进液体流动，经过不锈钢管、避震软管及孔板，最终生成液滴从针管自由下落，穿过偏转电场板，滴落至液膜生成装置上；

所述的液膜生成装置，包括微型定量蠕动泵、缓冲箱、液膜刷、刮刀、液膜槽；液膜刷连接在缓冲箱底部，与缓冲箱同宽，刮刀由硬质疏水塑料制成，与缓冲箱同宽并与其连接在一起，所述微型定量蠕动泵连接缓冲箱，所述微型定量蠕动泵接收控制模块的信号，控制缓冲箱中液体采用等体积法将液体经液膜刷、毛细管以一定速率均匀平铺到液膜槽内，同时，刮刀在液膜槽移动过程中将形成的液膜刮平，保证生成的液膜厚度均匀；液膜刷中间密集布置了软毛细管；

所述液膜移动装置，包括液膜台移动轴、液压升降台、支架、设备平台、滑槽、限位块、齿轮箱、齿条、连接立柱、微型变频调速电机和壳体，所述支架固定在液膜移动装置的设备平台上，用以支撑和实现刮刀和液膜刷在支架(上往复垂直运动；所述液膜台移动轴和液压升降台控制液膜生成装置纵向移动及倾斜一定角度，设备平台、滑槽、限位块、齿轮箱、齿条、连接立柱、微型变频调速电机和壳体控制液膜生成装置横向移动，所述微型变频调速电机传动轴与齿轮箱连接，所述齿轮箱下面焊接有壳体，用于固定放置微型变频调速电机；所述设备平台为U型凹槽状，所述设备平台的凹槽内的两臂上对称设置两根齿条，所述齿条与齿轮箱里两边的齿轮相啮合，通过接收控制模块的信号调节输出转矩，连接立柱上端与液膜槽焊接在一起，下端与齿轮箱焊接在一起，所述液膜槽底部设置四个滚轮，滚轮卡入设置在U型凹槽内两臂的滑槽内，所述滑槽的各个端点处均设置限位块，所述设备平台底部设置液压升降台；

所述的图像采集及检测系统，包括液滴直径检测装置、液滴速度检测装置、液膜厚度检测装置和撞击图像采集装置；所述液滴直径检测装置为工业相机，所述工业相机置于与液滴生成口即针管末端同一高度处，通过控制模块传输信号；所述液滴速度检测装置置于偏转电场板的下方，包括延时控制器、光屏障、连杆、多普勒测速仪、测速仪移动轴；所述光屏障通过连杆固定在多普勒测速仪右上方，光屏障通过延时控制器向多普勒测速仪传输信号；所述多普勒测速仪通过控制模块传输信号；所述液膜厚度检测装置和撞击图像采集装置为同一装置，包括步进电机、丝杠、光杠、丝杠支撑座、滑台、双目摄像仪，在实验准备阶段检测液膜厚度，在实验操作阶段采集液滴撞击液膜的图像，步进电机与丝杆连接，固定安装在设备平台的凹槽内，丝杠上有螺纹，与滑台螺纹连接，提供滑台运动的扭矩，丝杠和光杠穿过并支撑滑台，同时穿过两端布置的丝杠支撑座，步进电机和双目摄像仪均接收控制模块的信号而动作。

上述的小球发射器包括气体室、挡板、进球管道、小球、小球弹出管道和小球收集网兜；所述小球弹出管道的左端连接气体室，右端连接小球收集网兜，垂直段连接进球管道；所述气体室为气压为Mpa高压气体室，通过挡板与小球弹出管道相隔，挡板由电磁阀控制，小球由进球管道进入小球发射器，进球管道与小球弹出管道的直径一致，均大于小球直径。

上述小球弹出管道中设有弹性挡圈，以约束小球的位置，小球收集网兜为棉线材质，以避免小球发生弹跳。

上述针管与孔板为过盈配合，配合部分直径为4mm；针管有d＝2mm，产生直径为17-18mm的液滴；d＝3mm，产生直径为3-4mm的液滴；d＝4mm，产生直径为4-5mm的液滴三种型号。

上述孔板与不锈钢管通过螺纹连接，装配时设有垫圈起密封作用，所述孔板具有可互换性，包括一孔制、二孔制、三孔制、四孔制的孔板，孔径均为4mm，且孔板上的孔都对称均匀布置，通过在不锈钢管末端更换不同型号的孔板，可产生不同数量的液滴。

上述齿轮箱具有二级齿轮传动，包括一级主动直齿轮、两个从动齿轮以及二级齿轮，齿轮箱中所述齿轮均为直齿轮，齿轮箱中齿轮的轴与微型变频调速电机输出轴链接在一起，其中一级主动直齿轮带动左右两个从动齿轮，实现一级传动；同轴的二级齿轮伸出齿轮箱外置，与设备平台的齿条啮合，实现二级传动，带动液膜水平运动。

上述双目摄像仪包括两个高速摄像头、氙灯、灯光扩散板，双目摄像仪固定在滑台上，随滑台沿丝杠做水平运动，标定好的双目摄像仪对已形成的液膜图像进行采集，输出至PC端的中央处理器进行图像处理分析。

一种液滴撞击液膜可视化实验平台的使用方法，利用上述的平台，包括如下步骤:

a、实验开始前，根据液膜种类需求，向缓冲箱中注入所需液膜介质并保证整个液膜生成装置在运行中注满液体介质；

b、在PC输入端输入液膜与水平面的目标夹角θ，中央处理器将信号输出至控制模块，调节液压升降台使得液膜生成装置与水平面呈θ角；

c、在PC输入端输入液膜厚度目标值d，中央处理器采用等体积法计算后将体积信号输出至控制模块，控制模块调节支架使液膜刷及刮刀移动到液膜厚度目标刻度位置；

等体积法计算公式如下：

V＝A·d，A是液膜槽的底面积；

d、启动微型变频调速电机，液膜槽在起始位置开始恒速v运动，同时启动微型定量蠕动泵，根据脉冲信号控制液体介质以恒定流量在液膜槽中平铺，刮刀在液膜槽移动过程中将形成的液膜刮平；

流量计算公式如下：

q＝2vd，单位为m²/s，d为液膜厚度输入值；

e、人工肉眼读取液膜槽四个内壁面上的刻度读数，再求其平均值，即为形成的液膜厚度；

f、启动步进电机，移动滑台至凹槽最左端，即液膜检测区中心线位置，开启双目摄像仪，采集形成的液膜图像并输出至中央处理器；

g、中央处理器对图像处理分析，提取液膜特征，确定液膜水平面上等间距的四点高度坐标值，平均后即为所测液膜高度；

h、若双目摄像仪测量的液膜厚度没有达到目标值，则中央处理器再次利用等体积法根据液膜厚度目标值与测量值之间的差值，控制微型定量蠕动泵再次向液膜槽注入液体介质，体积计算公式如下：

V₁＝A·Δd，A是液膜槽的底面积Δd为液膜厚度目标值与测量值之间的差值；

利用光电式测量方式和机械式测量方式再次检测液膜厚度，得到液膜厚度测量值，与PC输入端输入目标值d比较，反复操作，直至液膜厚度相对误差≤0.1％，即为合格液膜；

i、再次启动步进电机，移动滑台至凹槽最右端，位于针管正下方，针管竖直延长线与滑台中心线重合，即液膜运动区中心线位置；

j、向注射泵中注入所需液滴介质，同时排尽不锈钢管及液滴生成装置中的空气，根据所需液滴数量和直径选择相应型号的孔板及针管；

k、将直径目标值和速度目标值输入至控制模块，计算得出目标直径的液滴具有目标速度时所处的最大高度位移和最小高度位移，并将两个极限位移值输出至多普勒测速仪，多普勒测速仪先移至最小高度位移处；

l、偏转电场板根据所需液滴偏转角度加载对应额度的电压，液体由注射泵开始推进液体流动，经过不锈钢管、避震软管及孔板，在针管末端逐渐形成一定直径的液滴；

m、工业相机按100帧/秒的帧率拍摄针管末端形成的液滴，控制模块根据传输来的图像像素信息计算出已形成的液滴直径，并与目标直径值对比；

n、液滴直径与目标直径值的差值随注射泵的运行不断缩小，当对比结果显示两者差值在允许误差范围内时，控制模块向小球发射器发送信号发射小球撞击不锈钢管，针管末端已满足直径要求的液滴受到震动而滴落；

o、液滴经过偏转电场板发生角度偏转，穿过光屏障，触发延时控制器，延时控制器延时几秒后，输出多普勒测速仪动作信号，多普勒测速仪测得落至最小高度位移处的液滴速度值并输出至控制模块；

p、多普勒测速仪移动至最大高度位移处，第二轮液滴重复上述生成、滴落过程，多普勒测速仪同样测得落至最大高度位移处的液滴速度值并输出至控制模块，

q、控制模块通过计算，确认目标速度在两个极限位移对应的液滴速度之间，若不在，控制模块重新计算，多普勒测速仪再移至两极限位移的中间位置，开始第三轮液滴生成、滴落过程，多普勒测速仪再次测得滴落速度值并输出至控制模块，控制模块将该速度值与目标速度值进行对比，运用二分法，找寻下一个中间位置，再进行第四轮液滴生成、滴落过程，多普勒测速仪同样测得滴落速度值，控制模块通过二分法，再找寻下一个中间位置，如此重复，所测速度值与目标速度值越来越接近，直到所测速度值与目标速度值对比结果显示两者差值在误差范围内，多普勒测速仪停止移动；

r、控制模块将多普勒测速仪的位置信息输出给液膜台，液膜台根据液膜台移动轴上的刻度，也移至同一高度处；再重复一次液滴生成、滴落过程，测出降落至液膜台的液滴速度，以验证液膜台获得的液滴是否满足指定的速度要求，控制模块记录从小球发射器发射小球到液滴滴落至液膜台的总时长t并输出至中央处理器；

s、若实验液滴撞击流动液膜过程，则需在PC输入端输入液膜流动速度目标值v_d，中央处理器计算得出液膜槽的横向初始位置；s＝v_d·t，单位为m，t为小球发射器发射小球到液滴滴落至液膜台的总时长，并移动液膜槽至指定位置，即距离针管竖直延长线水平距离s处；

t、此时液滴直径、液膜厚度均满足要求，中央处理器根据齿轮箱的传动比将目标速度值v_d下的电机频率信号输出至控制模块，控制模块以该频率启动变频调速电机，齿轮箱转动带动二级齿轮啮合齿条，液膜槽以速度v_d匀速移动，同时触发小球发射器发射小球击落液滴，在液滴下落撞击流动液膜时，双目摄像仪采集液滴撞击流动液膜的图像；

u、若实验液滴撞击静止液膜过程，则直接启动变频调速电机，将液膜槽移动到针管正下方，即针管竖直延长线与液膜槽中心线重合；

v、如此操作，实验平台便完成了特定属性液滴撞击特定属性液膜的实验研究，改变液滴液膜的相关参数，重复上述过程，即可实现不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴滴落至不同种类、不同倾角、静止液膜或不同流速流动液膜的实验研究。

附图说明

图1是液滴撞击液膜可视化实验平台系统图；

图2是小球发射器主视图；

图3是小球发射器的剖面图；

图4是图2的右视图；

图5是孔板结构示意图；

图6是一孔制孔板的结构示意图；

图7是二孔制孔板的结构示意图；

图8是三孔制孔板的结构示意图；

图9是四孔制孔板的结构示意图；

图10是d＝2mm型针管的结构示意图；

图11是d＝3mm型针管的结构示意图；

图12是d＝4mm型针管的结构示意图；

图13是液膜生成装置结构示意图；

图14是齿轮箱结构示意图；

图15是液膜检测装置结构示意图；

图16是图15的A向视图；

图17是直线导轨滑台结构示意图；

图18是缓冲箱、液膜刷、刮刀的结构示意图；

图19是软毛细管的结构示意图；

图20是液膜槽结构示意图；

图21是产生指定液滴直径时控制处理系统的工作流程图；

图22是产生指定液滴速度时控制处理系统的工作流程图；

图23是产生指定厚度液膜时控制处理系统的工作流程；

图24是液滴撞击液膜可视化实验整体工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种液滴撞击液膜可视化实验平台，平台包括液滴生成装置、液膜生成装置17、液膜移动装置、图像采集及检测系统、控制处理系统；控制处理系统与液滴生成装置、液膜生成装置、液膜移动装置、图像采集及检测系统相互协作，实现不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴滴落至不同种类、不同倾角、不同流动速度液膜的实验研究。

控制处理系统，包括PC输入端19、中央处理器20、显示器21、控制模块5，该系统以中央处理器20为核心，单向接受PC输入端19的目标信息，单向输出信息至显示器21，双向接受并反馈控制模块5的信号。

液滴生成装置，包括注射泵1，不锈钢管2，避震软管3，小球发射器4，孔板7，针管8，液滴9，偏转电场板10，延时控制器11，光屏障12，连杆13，多普勒测速仪14，测速仪移动轴15；注射泵型号为Longer LSP01-1BH，内径为34.9mm，容量为100ml，流量稳定在0.001ml/s。不锈钢管2为304不锈钢管，内径为15mm，一端与注射泵1相连，另一端与孔板7相连，且不锈钢管2中间嵌有一段避震软管3，避震软管3材质为不锈钢，外表面紧密覆盖有高强度的保护网套，可提供极高的耐太力；孔板7上插有针管8，液滴9从针管8中滴落；小球发射器4置于避震软管3下方的不锈钢管2左边，通过控制模块5传输信号；针管8下方设有偏转电场板10；注射泵1推进液体流动，经过不锈钢管2、避震软管3及孔板7，最终生成液滴9从针管8自由下落，穿过偏转电场板10，滴落至液膜生成装置17上；偏转电场板10输入的直流电压范围为0-1000V，液滴发生偏转角度范围为0-34.5°。

如图13所示，液膜生成装置17，包括微型定量蠕动泵17-1、缓冲箱17-2、液膜刷17-3、刮刀17-4、液膜槽17-5；液膜刷17-3连接在缓冲箱17-2底部，与缓冲箱17-2同宽，刮刀17-4由硬质疏水塑料制成，与缓冲箱17-2同宽并与其连接在一起，微型定量蠕动泵17-1连接缓冲箱17-2，微型定量蠕动泵17-1接收控制模块5的信号，控制缓冲箱17-2中液体采用等体积法将液体经液膜刷17-3、毛细管17-6以一定速率均匀平铺到液膜槽17-5内，同时，刮刀17-4在液膜槽17-5移动过程中将形成的液膜刮平，保证生成的液膜厚度均匀；液膜刷17-3中间密集布置了软毛细管17-6。

如图13所示，液膜移动装置，包括液膜台移动轴16、液压升降台18、支架17-7、设备平台17-8、滑槽17-9、限位块17-10、齿轮箱17-11、齿条17-12、连接立柱17-13、微型变频调速电机17-14和壳体17-15，支架17-7固定在液膜移动装置的设备平台17-8上，用以支撑和实现刮刀17-4和液膜刷17-3在支架(17-7上往复垂直运动，运动行程L＝20mm；液膜台移动轴16和液压升降台18控制液膜生成装置17纵向移动及倾斜一定角度，设备平台17-8、滑槽17-9、限位块17-10、齿轮箱17-11、齿条17-12、连接立柱17-13、微型变频调速电机17-14和壳体17-15控制液膜生成装置17横向移动，微型变频调速电机17-14传动轴与齿轮箱17-11连接，齿轮箱17-11下面焊接有壳体17-15，用于固定放置微型变频调速电机17-14；设备平台17-8为U型凹槽状，设备平台17-8的凹槽内的两臂上对称设置两根齿条17-12，齿条17-12与齿轮箱17-11里两边的齿轮相啮合，通过接收控制模块5的信号调节输出转矩，连接立柱17-13上端与液膜槽17-5焊接在一起，下端与齿轮箱17-11焊接在一起，如图20所示，液膜槽17-5底部设置四个滚轮17-5-1，滚轮17-5-1卡入设置在U型凹槽内两臂的滑槽17-9内，滑槽17-9的各个端点处均设置限位块17-10，设备平台17-8底部设置液压升降台18。

图像采集及检测系统，包括液滴直径检测装置、液滴速度检测装置、液膜厚度检测装置和撞击图像采集装置；液滴直径检测装置为工业相机6，工业相机6置于与液滴9生成口即针管8末端同一高度处，通过控制模块5传输信号；液滴速度检测装置置于偏转电场板10的下方，包括延时控制器11、光屏障12、连杆13、多普勒测速仪14、测速仪移动轴15；光屏障12通过连杆13固定在多普勒测速仪14右上方，光屏障12通过延时控制器11向多普勒测速仪14传输信号；多普勒测速仪14通过控制模块5传输信号；多普勒测速仪14用于在不同高度平面上测速，以找寻液滴目标速度值对应的高度位置，从而使得液膜生成装置17移动到该高度位置收集指定降落速度的液滴。在确定液滴目标速度值对应的高度位移后，液膜台17移动到与多普勒测速仪14处于同一高度，并且再次测试降落至液膜生成装置17的液滴速度，以验证液膜生成装置17获得的液滴是否满足指定的速度要求。

如图17所示，液膜厚度检测装置和撞击图像采集装置为同一装置，包括步进电机17-16、丝杠17-17、光杠17-18、丝杠支撑座17-19、滑台17-20、双目摄像仪17-21，在实验准备阶段检测液膜厚度，在实验操作阶段采集液滴撞击液膜的图像，步进电机17-16与丝杆17-17连接，固定安装在设备平台17-8的凹槽内，丝杠17-17上有螺纹，与滑台17-20螺纹连接，提供滑台17-20运动的扭矩，丝杠17-17和光杠17-18穿过并支撑滑台17-20，同时穿过两端布置的丝杠支撑座17-19，步进电机17-16和双目摄像仪17-21均接收控制模块5的信号而动作。

如图2、图3、图4所示，小球发射器4包括气体室4-1、挡板4-2、进球管道4-3、小球4-4、小球弹出管道4-6和小球收集网兜4-7；小球弹出管道4-6的左端连接气体室4-1，右端连接小球收集网兜4-7，垂直段连接进球管道4-3；气体室4-1为气压为2Mpa高压气体室，通过挡板4-2与小球弹出管道4-3相隔，挡板4-2由电磁阀控制，小球4-4由进球管道4-3进入小球发射器4，进球管道4-3与小球弹出管道4-6的直径一致，均大于小球4-4直径。小球弹出管道4-6中设有弹性挡圈4-5，以约束小球4-4的位置，小球收集网兜4-7为棉线材质，以避免小球4-4发生弹跳。

小球发射器接收到控制模块5输出的发射信号后，电磁阀动作，挡板4-2打开，气体室4-1的高气压气体冲击小球4-4越过弹性挡圈4-5，快速发射撞击不锈钢管2，后落入小球收集网兜4-7，同时，电磁阀动作后依靠弹簧复位，挡板4-2关闭，进球管道4-3中的小球4-4也依次下降一个小球直径距离。

如图10、图11、图12所示，针管8与孔板7为过盈配合，配合部分直径为4mm；针管有d＝2mm，产生直径为17-18mm的液滴；d＝3mm，产生直径为3-4mm的液滴；d＝4mm，产生直径为4-5mm的液滴三种型号。针管直径体现在针管下部未配合部分，d＝2mm型针管和d＝3mm型针管主视图呈T字形，d＝4mm型针管主视图呈矩形。

针管8根据型号不同产生直径在17-20mm范围内任意直径的液滴，装置开始工作前根据所要求的液滴直径选择相应的针管8型号，并将直径目标值输入到控制模块5，工业相机6为TEO-CCD工业相机，按100帧/秒的帧率拍摄针管末端逐渐形成的液滴，控制模块5根据传输来的图像像素信息计算出已形成的液滴直径，并与目标直径值对比，液滴直径随时间推移不断增大，与目标直径值的差值也不断缩小，当对比结果显示两者差值在允许误差范围内时，控制模块5向小球发射器4发送信号发射小球撞击不锈钢管2，针管8末端已满足直径要求的液滴受到震动而下落。

如图20所示，液膜槽(17-5)由透明有机玻璃制成，底面一边各设有四个滚轮(17-5-1)，液膜槽(17-5)尺寸为20cm*20cm*20mm，四周内壁面上有0-20mm刻度，用于测量液膜厚度。

如图5、图6、图7、图8、图9所示，孔板7与不锈钢管2通过螺纹连接，装配时设有垫圈起密封作用，孔板7具有可互换性，包括一孔制、二孔制、三孔制、四孔制的孔板，孔径均为4mm，且孔板7上的孔都对称均匀布置，通过在不锈钢管2末端更换不同型号的孔板，可产生不同数量的液滴。

如图14所示，齿轮箱17-11具有二级齿轮传动，包括一级主动直齿轮17-11-1、两个从动齿轮17-11-2以及二级齿轮17-11-3，齿轮箱17-11中齿轮均为直齿轮，齿轮箱17-11中齿轮的轴与微型变频调速电机17-14输出轴链接在一起，其中一级主动直齿轮17-11-1带动左右两个从动齿轮17-11-2，实现一级传动；同轴的二级齿轮17-11-3伸出齿轮箱17-11外置，与设备平台17-8的齿条17-12啮合，实现二级传动，带动液膜水平运动。

如图15、图16所示，双目摄像仪17-21包括两个高速摄像头17-21-1、氙灯17-21-2、灯光扩散板17-21-3，双目摄像仪17-21固定在滑台17-20上，随滑台17-20沿丝杠17-17做水平运动，标定好的双目摄像仪17-21对已形成的液膜图像进行采集，输出至PC端的中央处理器20进行图像处理分析。

如图21、图22、图23、图24所示，一种液滴撞击液膜可视化实验平台的使用方法，利用上述的平台，包括如下步骤:

a、实验开始前，根据液膜种类需求，向缓冲箱17-2中注入所需液膜介质并保证整个液膜生成装置在运行中注满液体介质；

b、在PC输入端19输入液膜与水平面的目标夹角θ，中央处理器20将信号输出至控制模块5，调节液压升降台18使得液膜生成装置17与水平面呈θ角；

c、在PC输入端19输入液膜厚度目标值d，中央处理器20采用等体积法计算后将体积信号输出至控制模块5，控制模块5调节支架17-7使液膜刷17-3及刮刀17-4移动到液膜厚度目标刻度位置；

等体积法计算公式如下：

V＝A·d，A是液膜槽17-5的底面积；

d、启动微型变频调速电机17-14，液膜槽17-5在起始位置开始恒速v运动，同时启动微型定量蠕动泵17-1，根据脉冲信号控制液体介质以恒定流量在液膜槽17-5中平铺，刮刀17-4在液膜槽17-5移动过程中将形成的液膜刮平；

流量计算公式如下：

q＝2vd，单位为m²/s，d为液膜厚度输入值；

e、人工肉眼读取液膜槽17-5四个内壁面上的刻度读数，再求其平均值，即为形成的液膜厚度；

f、启动步进电机17-16，移动滑台17-20至凹槽最左端，即液膜检测区中心线位置，开启双目摄像仪17-21，采集形成的液膜图像并输出至中央处理器20；

g、中央处理器20对图像处理分析，提取液膜特征，确定液膜水平面上等间距的四点高度坐标值，平均后即为所测液膜高度；

h、若双目摄像仪17-21测量的液膜厚度没有达到目标值，则中央处理器20再次利用等体积法根据液膜厚度目标值与测量值之间的差值，控制微型定量蠕动泵17-1再次向液膜槽17-5注入液体介质，体积计算公式如下：

V₁＝A·Δd，A是液膜槽17-5的底面积，Δd为液膜厚度目标值与测量值之间的差值；

利用光电式测量方式和机械式测量方式再次检测液膜厚度，得到液膜厚度测量值，与PC输入端19输入目标值d比较，反复操作，直至液膜厚度相对误差≤0.1％，即为合格液膜；

i、再次启动步进电机17-16，移动滑台17-20至凹槽最右端，位于针管8正下方，针管竖直延长线与滑台中心线重合，即液膜运动区中心线位置；

j、向注射泵1中注入所需液滴介质，同时排尽不锈钢管2及液滴生成装置中的空气，根据所需液滴数量和直径选择相应型号的孔板7及针管8；

k、将直径目标值和速度目标值输入至控制模块5，计算得出目标直径的液滴具有目标速度时所处的最大高度位移和最小高度位移，并将两个极限位移值输出至多普勒测速仪14，多普勒测速仪14先移至最小高度位移处；

l、偏转电场板10根据所需液滴偏转角度加载对应额度的电压，液体由注射泵1开始推进液体流动，经过不锈钢管2、避震软管3及孔板7，在针管8末端逐渐形成一定直径的液滴；

m、工业相机6按100帧/秒的帧率拍摄针管8末端形成的液滴，控制模块5根据传输来的图像像素信息计算出已形成的液滴直径，并与目标直径值对比；

n、液滴直径与目标直径值的差值随注射泵1的运行不断缩小，当对比结果显示两者差值在允许误差范围内时，控制模块5向小球发射器4发送信号发射小球4-4撞击不锈钢管2，针管8末端已满足直径要求的液滴9受到震动而滴落；

o、液滴9经过偏转电场板10发生角度偏转，穿过光屏障12，触发延时控制器11，延时控制器11延时几秒后，输出多普勒测速仪14动作信号，多普勒测速仪14测得落至最小高度位移处的液滴速度值并输出至控制模块5；

p、多普勒测速仪14移动至最大高度位移处，第二轮液滴重复上述生成、滴落过程，多普勒测速仪14同样测得落至最大高度位移处的液滴速度值并输出至控制模块5，

q、控制模块5通过计算，确认目标速度在两个极限位移对应的液滴速度之间，若不在，控制模块5重新计算，多普勒测速仪14再移至两极限位移的中间位置，开始第三轮液滴生成、滴落过程，多普勒测速仪14再次测得滴落速度值并输出至控制模块5，控制模块5将该速度值与目标速度值进行对比，运用二分法，找寻下一个中间位置，再进行第四轮液滴生成、滴落过程，多普勒测速仪14同样测得滴落速度值，控制模块5通过二分法，再找寻下一个中间位置，如此重复，所测速度值与目标速度值越来越接近，直到所测速度值与目标速度值对比结果显示两者差值在误差范围内，多普勒测速仪14停止移动；

r、控制模块5将多普勒测速仪14的位置信息输出给液膜台17，液膜台17根据液膜台移动轴16上的刻度，也移至同一高度处；再重复一次液滴生成、滴落过程，测出降落至液膜台17的液滴速度，以验证液膜台17获得的液滴是否满足指定的速度要求，控制模块5记录从小球发射器4发射小球4-4到液滴滴落至液膜台17的总时长t并输出至中央处理器20；

s、若实验液滴撞击流动液膜过程，则需在PC输入端19输入液膜流动速度目标值v_d，中央处理器20计算得出液膜槽17-5的横向初始位置；s＝v_d·t，单位为m，t为小球发射器发射小球到液滴滴落至液膜台的总时长，并移动液膜槽17-5至指定位置，即距离针管竖直延长线水平距离s处；

t、此时液滴直径、液膜厚度均满足要求，中央处理器20根据齿轮箱的传动比将目标速度值v_d下的电机频率信号输出至控制模块5，控制模块5以该频率启动变频调速电机17-14，齿轮箱17-11转动带动二级齿轮17-11-3啮合齿条17-12，液膜槽17-5以速度v_d匀速移动，同时触发小球发射器4发射小球4-4击落液滴9，在液滴下落撞击流动液膜时，双目摄像仪17-21采集液滴撞击流动液膜的图像；

u、若实验液滴撞击静止液膜过程，则直接启动变频调速电机17-14，将液膜槽17-5移动到针管8正下方，即针管竖直延长线与液膜槽17-5中心线重合；

v、如此操作，实验平台便完成了特定属性液滴撞击特定属性液膜的实验研究，改变液滴液膜的相关参数，重复上述过程，即可实现不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴滴落至不同种类、不同倾角、静止液膜或不同流速流动液膜的实验研究。

如图21所示，装置控制液滴直径时控制处理系统的工作流程为：

输入一个液滴直径目标值，装置开始工作，工业相机6拍摄针管8末端液滴图片并输出至控制处理系统，控制模块根据其像素分辨率计算出输入图片的液滴直径，并将此直径值与目标直径值进行比较，若两者差值不在误差范围内，接收下一张液滴图片并再次计算其直径；若两者差值在误差范围内，给小球发射器4输出发射信号。控制模块重新接收新生成的液滴图片，以产生下一轮满足直径要求的液滴。

如图22所示，装置控制液滴速度时控制处理系统的工作流程为：

输入液滴降落速度目标值，控制处理系统通过计算，得出目标直径液滴具有目标速度时所处的最大高度位移和最小高度位移，并将两个极限位移值输出至多普勒测速仪14。装置开始工作，多普勒测速仪14根据测速仪移动轴15上的刻度，分别移至两个极限位移处，测得液滴经过两处的速度，确认目标速度在两个极限位移对应的液滴速度之间若不在，重新计算，普勒测速仪14再移至两极限位移的中间位置，测量该处的液滴速度，控制模块将该速度与目标速度值进行对比，若所测速度值与目标速度值比较结果显示两者差值不在误差范围内，运用二分法，找寻下一个中间位置，再次测速进行比较，如此重复，不断缩小范围；若所测速度值与目标速度值比较结果显示两者差值在误差范围内，多普勒测速仪14停止移动，控制模块将多普勒测速仪14的位置信息输出给液膜生成装置17，液膜生成装置17根据液膜台移动轴上的刻度，也移至该高度处，以收集具有特定速度要求的液滴。

如图23所示，装置控制液膜厚度时控制处理系统的工作流程为：

输入液膜厚度目标值，控制处理系统采用等体积法计算后调节液膜刷17-3及刮刀17-4在支架17-7上移动到液膜厚度目标刻度位置、启动微型定量蠕动泵17-1，启动变频调速电机17-14，液膜槽17-5在起始位置开始恒速v运动，同时微型定量蠕动泵17-1根据脉冲信号控制液体介质从水箱以恒定流量(q＝2vd，单位为m³/s，d为液膜厚度输入值)在液膜槽17-5中平铺，液膜槽17-5前进20cm后停止，刮刀17-4在液膜槽17-5移动过程中将形成的液膜刮平，控制模块5接受中央处理器20的信号，启动步进电机17-16，移动滑台17-20到液膜检测区中心线位置，开启双目摄像仪17-21，采集形成的液膜图像并输出至PC端的中央处理器20，中央处理器20对图像处理分析，提取液膜特征，确定液膜水平面上等间距的四点高度坐标值，平均后即为所测液膜高度，若双目摄像仪17-21测量的液膜厚度没有达到目标值，则重新向液膜槽17-5注水。根据液膜厚度目标值与测量值之间的差值，中央处理器20利用等体积法计算出所需的再次注水体积。控制模块5根据中央处理器20输出信号，控制微型定量蠕动泵17-1再次向液膜槽17-5注水，待液膜运动到液膜检测区，利用光电式测量方式和机械式测量方式再次检测液膜厚度，得到液膜厚度测量值，与PC输入端19输入目标值比较，反复操作，直至液膜厚度相对误差≤0.1％，即为合格液膜，输出所测液膜厚度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。