流速計(Acoustic Doppler Velocimeter ，簡稱 ADV)，利用聲波反射得 到流速，但缺點為儀器部分偏貴。本文將利用電磁感應原理應用於流 場量測，優點為非接觸式量測，可量測磁性液滴在一可溶或不可溶溶 液中之運動速度情形，以及可以探討當磁性液滴之濃度改變時會對量 測出情形。
本文之磁性液滴移動是利用外部馬達，施以一外力，讓流場有變 化狀況，以及外部加 Helmholtz coil，給予一垂直梯度磁場，則當磁 液體通過垂直梯度磁場時，會有感磁情況，再經由電磁感應，量取之 訊號。
磁性流體(Ferrofluid)發展於 20 世紀，1965 年由美國航空太空總 署(NASA) Papell 發明，當時美國積極征服太空，並於阿波羅計畫中 首創人類登陸月球，磁性流體因而首度亮相。因為太空人在外太空 時，處於真空狀態，為了讓太空衣內保持在一大氣壓，頭盔可以自由 的旋轉活動，並解決外太空的失重情形，以及為了解決太空衣的問 題，磁性流體的真空封件因應而生，同時也利用磁性流體來解決在外 太空失重情況下，液體火箭燃料的控制。
Papell 將強磁性磁鐵礦(magnetite)在粉碎機中粉碎成超微粒子， (surfactant)與載基流體(base fluid)組成，其奈米粒子大小約為 10 nm。
磁性流體最主要的製造方法是經由化學合成的方法，將表面活性劑依
化，亦可運用在新一代之電子冷卻系統，配合新近發展之微流道機
Greivell and Blake Hannaford[1]所研究之磁性定量吸管，可取樣至 0.2µl 以下，它原理是利用數組串聯之電磁鐵，分別產生磁場，使得
機制。
太多迴響，近年來因磁流體之合成技術之進步與微製程之發展，
上述之研究多偏向於直接以磁鐵產生感應電壓，感應電壓產生之 泡與磁液體中之變化，Yamaguchi et al [12-14]中指出不同空包率(α) 之流場，會影響感應出之電壓，如圖 1-11 所示當 α 值不同時，上層
由圖 1-14 可知，感應電壓會與所感應面積有關，當通過之感應線圈 transportation) 的發展上 [15,16]
1-3 研究目的
研究目的 研究目的 研究目的
來驗證是否可套入法拉第定律中驗證。
在未來應用時可利用至液滴分割，體積控制為一重要要素，當液 滴分裂速度極快時，無法確認體積是否正確，以及當分割之液滴進入 線圈內部時，無法利用攝影裝置攫取影像分析之，因此利用磁能轉換 可得知液滴狀態。以及在生醫應用及微混合器涉及磁粒子於環境流體 之運動輸送，磁粒子在輸送過程中無法精準了解其運送情況，磁流體 或磁粒子之濃度變化為一非常重要須要掌控與瞭解之項目。
圖 1-1 磁性流體構成圖
圖 1-2 磁性流體吸移管作用原理 Greivell and Hannaford, [1997]。
圖 1-3 磁性流體閥門和幫浦在微流道內原理 Hartshorne et al. [2004]。
圖 1-4 注入磁性流體至玻璃管內並藉由外部磁場引導之運動狀態，
Ganguly, [2005]。
圖 1-5 Chen 等人發現可互溶磁性液滴於毛細管中之運動數值模擬。
圖 1-6 Nicklin 等人發現感應電壓及速度之感應電壓關係
圖 1-7 Singh 利用振盪系統系統來感應電壓
圖 1-8 直流電與交流電之差別
圖 1-9 磁流體受磁場之感磁情形
圖 1-10 Kwon et.al 利用交流電電磁線圈量測於一靜態溶液中磁粒子 之體積分率
圖 1-11 不同空包率所產生之磁場
圖 1-12 Yamaguchi et al 比較靜止與流動兩相不同之感應電壓變化
圖 1-13 氣泡於垂直管中分布情況
圖 1-14 不同流動情況所產生之感應電壓
圖 1-15 利用兩組相同感應線圈(pick-up coils)來取得訊號
圖 1-16 兩組相同線圈之感應電壓所產生時間差
表 1-1 磁性流體的製造方法
第二章
線圈通電後產生磁場，檢視電腦(開啟 Fluke DAQ 4.0)產生訊號是否有
其中，B、A 分別代表磁通量密度及與磁場垂直之感應面積大小。由
因子(α )來預估最大感應電動勢，故將(6)式改寫為 Fourier Transform, FFT)[19]來消除雜訊，其步驟如下:
(1) 將 原 始 時 間 域 (time domain) 訊 號 利 用 (8) 式 轉 換 為 頻 率 域 (frequency domain)
∑
−間域
圖 2-1 實驗設備示意圖
圖 2-2 磁性流體示意圖
圖 2-3 磁性液體 EMG905 之磁化率曲線圖
圖 2-4 線圈組架構
圖 2-5 可程式電源供應器示意圖
圖 2-6 資料擷取器
圖 2-7 桌上型高斯計
圖 2-8 磁場在磁液體通過方向產生磁場
圖 2-9 STP4 步進馬達控制器
圖 2-10 磁流體在容積為 4ml 及 0.04 m/s 時之原始訊號與 利用 FFT 過濾後訊號。
圖 2-11 磁流體於容積 4ml 及速度 0.04 m/s 時之時間域轉為 頻率域圖形表示
圖 2-12 磁流體於容積 4ml 及速度 0.04 m/s 時之頻率域轉為 時間域圖形表示
第三章
時亦可表示感應電壓值為最大(可由圖 3-2(d)與 3-2(f)得知)，當磁流體 圈為 Helmholtz coils，Helmholtz coils 之磁力線為垂直線圈側面，且 磁力線較均勻，所以當磁流體未進入感應線圈時，磁場亦不會變化。
磁鐵有磁偶極(N、S 極)，且本身可以產生磁場，能吸引鐵磁性
相影響)，且當速度不同時，轉為位置函數後頻寬與大小皆相差不多，
範圍較磁流體大。 出之最大電壓為 1.3*10^(-4)、2ml 感應出之最大電壓為 2.5*10^(-4)及 4ml 感應出之最大電壓為 3.9*10^(-4)，在電壓值相比之下，雖無呈現
本實驗為了分析更多實驗上的數據，以相同速度在不同體積時，
頻寬以及最大電壓大小，其步驟如下，先用已知之頻寬透過圖 3-13
子觀念，來加入至方程式。
為了預測當一磁流體通過線圈組時，所造成之感應電動勢，本文 提出了單位修正因子(unit volume correction parameter)之方法來驗證 理論及實驗值之間關係。
圖 3-17 鐘表示，x 軸為磁液體體積，y 軸為磁流體感磁量(M)，接著
(體積、速度、罐子截面積)變化而改變。
圖 3-1 磁性流體(4 ml)受外力以移動(0.05 m/s)產生感應磁場(B)之時 間磁場圖。
(a)t=0s;(b)t=1.20s;(c)t=2.41s;(d)t=2.69s;(e)t=3s;(f)t=3.30s;(g)t=3.59s;(h)t
=6s
圖 3-2 磁性流體(4 ml)受外力以移動(0.05 m/s)產生感應電壓(V)之時 間電壓圖。
(a)t=0s;(b)t=0.99s;(c)t=1.98s;(d)t=2.54s;(e)t=3.11s;(f)t=3.54s;(g)t=4.14s;
(h)t=6s
圖 3-3 磁鐵與磁液體之磁通量密度比較
圖 3-4 磁通量密度比較(同體積、不同速度)
圖 3-5 磁通量密度比較(不同體積、同速度)
圖 3-6 磁鐵與磁液體之感應電動勢比較
圖 3-7 在相同速度以不同容積之磁液體產生之感應電壓
圖 3-8 在相同容積以不同速度之磁液體產生之感應電壓
圖 3-9 在相同速度下以不同容積之磁液體產生之感應電壓 (a)v=0.02 m/s (b)v=0.03 m/s (c)v=0.04 m/s (d)v=0.05 m/s
圖 3-10 在相同速度下以不同容積之磁液體產生之感應電壓 (a)1 ml (b) 2 ml (c) 3 ml (d) 4 ml
圖 3-11 不同速度及不同體積相對應之最大電壓值比較圖
圖 3-12 不同速度及不同體積相對應之最小電壓值比較圖
圖 3-13 速度與波寬關係圖
圖 3-14 相同容積與不同截面容器圖 (a)10 ml (b)8 ml (c)6 ml (d)4 ml
圖 3-15 利用相同容積但不同容器，在相同速度下所產生之感應電壓 與磁場強度
圖 3-16 面積與磁場隨時間之改變圖 (a) 磁流體感應面積隨時間之改變量 (b) 磁流體感應感應磁場隨時間改變量
圖 3-17 不同體積對應之磁通量密度
圖 3-18 線圈位置對照圖
圖 3-19 面積與磁場對時間微分圖 (a) 磁流體感應面積對時間微分 (b) 磁流體感應磁場對時間微分
圖 3-20 實驗與理論值比較(α =0.0052)
圖 3-21 同相對速度、磁液體體積和不同容器體積下 之單位體積修正因子 α
表 3-1 相同容積與不同截面容器數值
罐子大小 裝入的體積mm^3 質量 g 罐子截面積 mm^2 高度 mm
4cc 2000 3.06 120.7373272 16.5648855
6cc 2000 3.06 128.4313726 15.57251908
8cc 2000 3.06 185.8156028 10.76335878
10cc 2000 3.06 319.5121951 6.259541985
第四章
體於流場之速度，這將有助於流場量測，並不干擾流場之流動行為，
亦可得之所需數值。
參 參
參參 考考考考 文文文 獻文 獻獻獻
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