TWEO微流体驱动理论模型与实验研究

为研究行波电渗(TWEO)微流体驱动,在封闭微通道内TWEO微流体驱动进行了仿真和实验分析。根据双电层电荷分布规律,建立了行波电渗微流体驱动理论模型;通过对行波电渗电场和流场问题的求解,获得了封闭通道内流场仿真结果,并与实验结果相比较,验证了相关理论的正确性;对微通道内2/3高度处微流体流速进行仿真与实验结果分析,结果显示电渗流流速与频率的关系满足正态分布,为进一步展开对行波电渗微流体驱动及其在芯片实验室中的应用奠定了基础。     

Ⅱ型压电超声流微泵的流动特性分析

基于声流原理设计了一种H型压电超声流微泵,分析了各种因素对微泵出口平均速度的影响.采用直接流法计算得到了微泵体内的声流速度矢量图,实现了泵体结构的优化设计.进一步研究了超声流微泵出口平均速度与声流振子的振动位移、驱动频率以及流体动力粘度之间的关系,模拟了出口背压对出口平均速度的影响.分析结果表明,在流体动力粘度较小时,所设计的H型超声流微泵具有较好的泵送性能,通过改变驱动频率和驱动电压能方便地实现微流体的驱动控制.     

直接驱动型压电式喷头微滴产生过程数值模拟及试验研究

针对目前挤压管型压电式喷头结构复杂、组装工艺要求高及价格昂贵等问题,设计一种结构简化的环形压电陶瓷直接驱动喷射材料的微滴喷射装置。通过建立多物理场耦合压电式喷头微滴喷射两相流模型,研究驱动电压、流体黏度及表面张力等参数对微滴成形动力学行为的影响。在此基础上,利用构建的压电式喷头进行微滴喷射试验。结果表明:驱动电压幅值与产生微滴的速度及体积大小呈线性关系,喷射材料黏度增大产生的微滴喷射速度及体积减小,表面张力直接影响液滴形成过程的喷射材料液体丝带长度及断裂距离;采用喷嘴孔径为65μm的喷头,在稳定喷射条件下,可按需产生直径约80μm的均匀微滴,验证了设计的直接驱动式压电喷头按需产生均匀微滴的可行性。     

双压电薄膜管道微机器人的功耗分析及电路优化设计

研究了PZT双压电薄膜管道微机器人的功率消耗,推导出其功耗计算公式S=Kfcv²,指出微机器人功耗与驱动电压幅值平方成正比,与驱动电压的频率成正比,与微机器人的电容成正比.优化设计了微机器人的驱动电路,使得其在驱动电压幅值不变的情况下,大幅度提高运动速度.通过实验验证此结论.以上分析研究是此类微机器人无缆化设计的理论基础.     

利用体块PZT制备膜片式压电微泵

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应,设计并制备了膜片式压电微泵。通过将电能转换为机械能,实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成;微驱动器主要为液体流动提供驱动力,单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析,确定了微驱动器的设计尺寸,并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后,设计了驱动测试实验,检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明:所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70kHz,能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30Vp-p、频率为600Hz时,液体的驱动流速约为65μL/min。该微泵具有体积小,线性度好等特点。     

驱动电压幅值对双压电薄膜管道微机器人运动的影响

研究了一种细小管道内移动微机器人,它可以搭载摄像机进入φ20mm的管道内部进行检测作业.微机器人驱动器采用PZT双压电薄膜驱动器.介绍了微机器人的结构及运动机理.着重介绍了驱动电压幅值对此类微机器人运动的影响,通过建模、仿真以及有限元分析,得到随着驱动电压幅值的增加,驱动器振幅增加,微机器人速度增加的结论,并通过实验验证了此结论,此结论对提高此类微机器人的工作效率有重要意义.     

纳米银均匀喷射过程的数值计算与仿真

微滴喷射均匀液滴喷射过程受到多种因素的制约,包括压力波幅值、液滴物性(黏度、表面张力等)、喷嘴尺寸等。为深入理解微滴喷射过程机理,基于流体体积法建立了均匀液滴喷射数值模型,研究了压电驱动电压幅值对低粘度纳米银墨水稳定喷射行为的影响。通过数值仿真,给出了驱动电压幅值与液滴断裂长度、液滴飞行速度的数值关系,以及液滴飞行速度与卫星液滴的变化关系。采用27μm喷嘴直径的工业喷头构建微滴喷射系统,低粘度纳米银墨水为喷射材料,通过观测喷印到光面相纸的液滴尺寸及卫星液滴数量对数值模型进行实验验证。结果表明,液滴飞行速度取决于驱动电压幅值,液滴尺寸分布及卫星液滴数量取决于液滴飞行速度,与数值模型相吻合。通过数值模型仿真,针对纳米银墨水物性指标匹配合适的驱动电压幅值,生成均匀液滴流,对微液滴成型的工业化应用具有重要的理论指导意义。     

行波离子迁移谱的行波脉冲电源设计及应用

基于行波的无损离子操作结构装置(TW-SLIM)是一种新型的可实现复杂气相离子操作的离子漂移管,是行波离子迁移谱(TWIMS)的核心器件,其利用行波脉冲电源提供振荡电场实现离子传输和分离。针对行波无损离子操作结构特性,采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)作为行波脉冲信号源,使用集成半桥驱动器作为栅极驱动,以金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)构成的半桥拓扑电路作为脉冲输出级,使用可调高压电源作为半桥电路的直流母线电源,设计了一种行波脉冲电源。脉冲电源输出脉冲电压最大频率可达100 kHz,峰-峰值可达200 V,上升时间和下降时间均小于20 ns。在实验室自制的行波离子迁移谱仪器平台上测试了行波幅值和频率对离子传输和离子分离的影响。结果表明,当频率为10 kHz、幅值为35 V时,六(2,2-二氟乙氧基)磷腈的传输效率最高;在行波幅值不变时,随着行波频率的增大,离子信号强度减小。利用六(2,2-二氟乙氧基)磷腈和六(1H,1H,3H-全氟丙氧基)磷氮烯探究行波幅值和频率对离子基于结构分离情况的影响,在行波幅值不变时,随着行波频率增大,对2种离子的分离能力变强;在频率不变时,随着行波...     

驱动电压波形修圆对微流体脉冲惯性力和驱动效果的影响

介绍了微流体脉冲驱动-控制技术,分析了微流体脉冲驱动-控制过程,指出在这一过程中影响微流体流动的主要因素是微流道固壁加速度和流体内部的黏性力。采用"椭圆修圆法"对方波驱动电压进行修圆,针对修圆点的位置决定微流体的驱动方向,获得了不同修圆位置和修圆系数的驱动电压修圆波形。通过实验探索了波形修圆对微流道固壁运动加速度、微流体脉冲惯性力和流体驱动效果的影响规律并进行了机理分析。所得流体体积流量可在0～15.4pl/min连续变化,远小于现有的微流体驱动技术。本文的研究成果可为微流体脉冲驱动-控制技术在微流体系统中的进一步应用提供参考。     

微通道内电场频率对电渗流影响的数值模拟

为研究二维微通道内交变电场电渗流速度特性,以双电层P-B方程和粘性不可压缩流体N-S方程为基础,建立交变电场电渗流的数学模型。应用有限元方法,对不同频率的交变电场电渗流进行数值模拟。结果表明,交变电场电渗流速度分布呈"波浪状",微通道中心区域速度滞后于壁面附近,当流体离壁面距离增大时,流体流速的滞后量增大。电场频率小于1 000 Hz时,交变电场电渗流与稳定电场电渗流具有相似的速度分布。随着电场频率的增大,"波浪状"速度流型更为明显,并且双电层滑移速度减小,尤其当电场频率大于3 000 Hz时,双电层滑移速度迅速下降。     

一种双足驱动压电直线电机

为研制高精度、大行程、大推力的压电直线电机,设计了一种基于叠层压电陶瓷的步进式压电直线电机。分析了电机的工作原理,对电机的结构进行了设计,制作了原理样机,并进行了实验研究。实验表明,在一定频率范围内,定子驱动足振幅与电压成线性关系,且最大振幅可达2.9μm,电机最大无负载速度为796μm/s,最大输出推力为4.8N,达到了预期的目的。     

改进的浸入边界-晶格Boltzmann法的蠕动流分析

基于改进的浸入边界-晶格Boltzmann方法研究蠕动流问题,采用晶格Boltzmann法描述流场,用改进的浸入边界法实现管壁运动-流体流动之间的相互作用,将变形管壁的运动速度作为速度源引入晶格Boltzmann方程,代替了传统浸入边界-晶格Boltzmann法中固态变形力与流体速度之间的转换。分析了管道内蠕动流场的分布情况,研究了各相关参数如振幅比、频率、液体黏度以及波数对流量的影响,数值结果与已有的结果进行了对比,证实了本研究方法的合理性与有效性。     

旋转型压电行波超声马达的驱动与控制技术

压电行波超声马达是一种由高科技发展起来的全新概念产品，它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将定子的微观变形通过共振放大和界面摩擦，转换成转子的宏观运动。     

基于液晶引流效应的全新微流体驱动方式

对现有微流体驱动技术中普遍存在的微型化难、驱动力小等缺点,提出液晶引流驱动方式。作为开发该驱动方式的第一步,采用理论计算模拟与辅助试验验证相结合的研究方法,以小分子液晶Leslie-Ericksen理论为基础,对上板处于浮动状态下液晶盒的驱动效果及影响因素进行研究。结果表明,连续方波电场作用下引起的液晶引流效应可以驱动液晶盒上板运动,方波电场频率为1 Hz、有效率为5%时驱动速度最大。液晶分子指向矢倾斜角的旋转范围对驱动效果影响较大,所施加电压对于倾斜角的旋转范围没明显影响,两板间的距离却影响很大。通过选择合适的驱动条件已成功得到90μm/s的高驱动速度。采用显微镜下直接观察液晶盒上板运动情况的方法进行试验验证,结果与理论计算结果定性上十分吻合,定量上试验结果偏小,最大差距出现在电场施加后的第三周期,主要原因是液晶盒制作时初始配向误差,可通过改变配向膜的种类及摩擦条件来改善。     

Aerodynamic drag reduction based on static traveling wave structure

To explore the influence of the traveling wave parameters on the aerodynamic characteristics of Ahmed models, the geometric model of the traveling wave wall is used as the study object, and the influence of the traveling wave geometric parameters on aerodynamic drag is studied by numerical simulation. A cosine-type traveling wave digital model is established on the basis of Ahmed’s original model. Results show that the static traveling wave structure can play a good role in reducing drag under some driving conditions. The traveling wave’s drag reduction characteristics are affected by the layout position, depth, wavelength, and other related parameters and more affected by driving speed. Finally, a group of working conditions with good drag reduction effects is selected, and the principle of drag reduction by using static traveling wave structure is explained qualitatively and quantitatively through velocity field, shear stress, and pressure field.

     

VIBRATION MEASUREMENT OF DOUBLE-ENDED TUNING FORKS RESONATOR

To enhance the coherence and reliability of the double-ended tuning fork (DETF) resonator, a measurement system of resonator vibration is presented to check its dynamic characteristics. Laser Doppler techniques are utilized and the relation between DETF vibration velocity and output current of photodetector is obtained. Resonator vibration equation is also analyzed and its driving power only depends on the direct current bias voltage and the amplitude of alternative voltage. Furthermore, a special resonator driving control circuit based on measurement is designed. The amplitude and frequency of circuit is controlled by a computer so that highly stable and strong driving signal can be output. Experiments on driving and measuring double-ended tuning fork have been done. The frequency of driving signal is 8 kHz and the peak-to-peak value of driving voltage is 140 V. Experimental results indicate resonator can be drived stably by driving control circuit and dynamic characteristics of DETF may be measured in real time.     

应用应力波安装干涉配合紧固件的研究

介绍了应用应力波安装干涉配合紧固件的原理,分析了充电电压与安装力的关系,并研究了应力波安装工艺.对比分析了普通安装方法与应力波安装方法的安装质量.实验结果表明应力波安装方法可以安装大干涉量紧固件,可以减小"凸瘤",安装质量好.     

The effect of longitudinal tangential vibrations on friction and driving forces in sliding motion

The main purpose of the work has been to qualitatively and quantitatively analyse the influence of longitudinal tangential vibrations on friction and driving forces in a sliding motion. Computational models were developed and implemented in a combined Matlab-Simulink environment. Both the dynamic Dahl's and the Dupont's and classical Coulomb's friction models were used. The influence of vibration velocity amplitude on the friction force in the presence of tangential longitudinal vibrations and on reduction of the driving force in sliding motion was analysed. It revealed that the commonly accepted view that the reduction of the average friction force is a consequence of cyclic changes in the sign of the friction force vector, only when the amplitude of vibration velocity is greater than the sliding motion velocity, is erroneous. The phenomenon was also observed without any changes in the sign of friction force vector. The results of simulations were compared with experimental data obtained with the use of a test rig specifically designed for the work. The Dahl's friction model led to the best correlation.     

螺旋驱动杆式行波型超声电机

设计了一种螺旋驱动杆式行波型超声电机,初步分析了其驱动机理。推导了螺纹牙型角与定子长度以及转子直径三者之间的关系,并以提高螺纹驱动效率为目标函数,确定了电机主要结构尺寸,优化了用于放大振幅的定子凹槽结构。加工制作了样机,并搭建了试验装置,测试了电机的主要性能参数。试验表明：电机实际工作频率为24.5kHz,与仿真结果基本一致;调节相差可实现正反转控制,启停灵敏;在220V驱动电压下,电机最大空载转速为40r/min,堵转轴向力为1.7N。     

基于双电压驱动下高速开关阀的特性研究

为了提高高速开关阀的响应特性,采用双电压驱动的控制方法。运用AMESim建立高速开关阀的动态仿真模型,仿真分析得出不同控制方法下（单电压驱动、双电压驱动）高速开关阀的动态特性曲线及其特征值,通过试验测试证实了仿真结果的可靠性。结果表明：当高压源为25 V时,双电压驱动下开关阀的吸合时间减少了28.3%,释放时间减少了44.2%。仿真分析基于该高速开关阀在工作因素不变的情况下,不同控制方法对其动态特性的影响,结果进一步证实了双电压驱动控制方法的优越性。