王依凡 梁時(shí)鴻 陳書(shū)杰

摘要：電潤(rùn)濕液體透鏡具有變焦快、體積小等優(yōu)點(diǎn)，而響應(yīng)時(shí)間的提升是其研究的一個(gè)重點(diǎn)。過(guò)壓驅(qū)動(dòng)是施加大于目標(biāo)電壓的過(guò)壓信號(hào)，一定時(shí)間后躍變回目標(biāo)電壓。實(shí)驗(yàn)證明過(guò)壓驅(qū)動(dòng)可以有效提升響應(yīng)時(shí)間。本研究通仿真對(duì)比了目標(biāo)電壓為60V與80V時(shí)不同過(guò)壓驅(qū)動(dòng)下的響應(yīng)提升，隨著過(guò)壓的增加，響應(yīng)提升也逐步提高，60V與80V電壓最大分別達(dá)到了2.7倍和2.5倍。而且發(fā)現(xiàn)過(guò)壓大于110V時(shí)，最佳過(guò)壓時(shí)間與目標(biāo)電壓成一定線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：液體透鏡;過(guò)壓驅(qū)動(dòng);過(guò)壓時(shí)間

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）20-0285-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 概述

基于電潤(rùn)濕效應(yīng)制備的液體透鏡具有耗能低、體積小、變焦快等優(yōu)勢(shì)，所以對(duì)液體透鏡的研究具有很大的市場(chǎng)前景。B. Berge 等人在實(shí)驗(yàn)中對(duì)液體透鏡的性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明其光功率變化范圍是人眼的5-10倍，響應(yīng)時(shí)間可低至 0.03s，功耗也僅為幾個(gè)毫瓦[1]。2005年S.Kuipera等人使用鹽溶液和非極性油對(duì)雙液體透鏡進(jìn)行改進(jìn)，驅(qū)動(dòng)電壓為50-100V，能耗僅為0.5μJ[2]。2015年韓國(guó)Hongwen Ren等人利用ITO導(dǎo)電玻璃研制的可調(diào)液體透鏡可在0-28V的電壓下驅(qū)動(dòng)[3-4]。而為了提升響應(yīng)時(shí)間，許多研究都在對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化。Omkar D.Supekar等人發(fā)現(xiàn)輸入指數(shù)上升驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以有效的抑制液體界面的震蕩[5]。JongByungChae 等人通過(guò)輸入過(guò)壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間有較大的提升[6]。過(guò)壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖2所示，V1為過(guò)壓值，V2為目標(biāo)電壓，V1>V2，t為過(guò)壓時(shí)間。本研究將使用COMSOL仿真軟件模擬液體透鏡過(guò)壓驅(qū)動(dòng)，得到了60V與80V電壓下不同過(guò)壓驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)提升，在過(guò)壓大于110V時(shí)，過(guò)壓時(shí)間與目標(biāo)電壓具有一定的線性關(guān)系。

2 仿真設(shè)置

液體透鏡的理論模型如圖1所示。在COMSOL中，建立半徑為1.5mm，高為1mm的圓柱體的二維對(duì)稱(chēng)模型。模型上部分為絕緣液體（粘度50mPa·s），下部分為導(dǎo)電液體（粘度1.5mPa·s），高0.55mm，密度都為1000kg/m^3。液體間的表面張力為50mN/m，界面初始接觸角為140°。響應(yīng)時(shí)間定義為導(dǎo)電液面達(dá)到趨于穩(wěn)定高度所需的時(shí)間，誤差為0.5%。

3仿真結(jié)果

在本研究中過(guò)壓信號(hào)表示為V1（t）→V2，先加t時(shí)間的過(guò)壓，再躍變回目標(biāo)電壓。對(duì)60V電壓的仿真設(shè)置了4種驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別為（I）60V， （II）90V（6ms）→60V，（III） 100V（4ms）→60V，（IV）110V（4ms）→60V，響應(yīng)時(shí)間分別為60ms，26ms，25ms，22ms，在過(guò)壓110V時(shí)響應(yīng)提升了2.7倍。對(duì) 80V電壓的仿真設(shè)置了4種驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別為（I）80V，（II）90V（8ms）→80V，（III） 100V（8ms）→80V，（IV）110V（6ms）→80V。響應(yīng)時(shí)間分別為40ms，31ms，17ms，16ms，在過(guò)壓110V時(shí)響應(yīng)提升了2.5倍。

在Jong Byung Chae的研究中，過(guò)壓驅(qū)動(dòng)對(duì)響應(yīng)提升的理論值為t1-t2，t1，t2分別為直流驅(qū)動(dòng)與過(guò)壓驅(qū)動(dòng)下液面到達(dá)穩(wěn)定高度所需的時(shí)間。在對(duì)70-140V直流驅(qū)動(dòng)的仿真中，液面中心高度隨時(shí)間變化如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，過(guò)壓值越大液面下降速度越快，t2也就越小，響應(yīng)的提升也就越大，而這也與目標(biāo)電壓為60V，80V的過(guò)壓仿真結(jié)果相吻合。

隨后我們?cè)谶^(guò)壓值為110V，120V，130V，140V時(shí)，對(duì)最佳過(guò)壓時(shí)間與目標(biāo)電壓的關(guān)系進(jìn)行探究。而為了限定過(guò)壓時(shí)間的范圍，在目標(biāo)電壓為過(guò)壓值的液面變化曲線中，找到最先到達(dá)穩(wěn)定高度的時(shí)間點(diǎn)t。例如對(duì)目標(biāo)電壓為60V采用100V的過(guò)壓驅(qū)動(dòng)，在圖中先確定60V曲線穩(wěn)定后的高度，然后表2? 60-100V對(duì)應(yīng)最佳過(guò)壓時(shí)間在100V曲線中找到最先到達(dá)該高度的時(shí)間點(diǎn)t。在對(duì)t的過(guò)壓時(shí)間的仿真中，發(fā)現(xiàn)=t，>t時(shí)，液面會(huì)發(fā)生明顯的震蕩，影響響應(yīng)的提升，故加壓時(shí)間的取值應(yīng)該小于對(duì)應(yīng)的t值，目標(biāo)電壓為60-100V時(shí)，過(guò)壓為110-140V對(duì)應(yīng)高度與時(shí)間t如表1所示。

通過(guò)對(duì)比不同過(guò)壓時(shí)間下的響應(yīng)提升，得到了過(guò)壓值為110-140V下，目標(biāo)電壓為60-100V對(duì)應(yīng)的最優(yōu)過(guò)壓時(shí)間，如表2所示，將表中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖4的折線圖。在過(guò)壓大于110V 圖4? 過(guò)壓時(shí)間與目標(biāo)電壓關(guān)系時(shí)過(guò)壓時(shí)間與目標(biāo)電壓具有一定的線性關(guān)系。對(duì)比表1與表2，最優(yōu)過(guò)壓時(shí)間相對(duì)于對(duì)應(yīng)過(guò)壓的t值，差值在3ms左右。

4 結(jié)論

本文對(duì)目標(biāo)電壓為60V和80V進(jìn)行不同過(guò)壓驅(qū)動(dòng)的仿真，響應(yīng)提升隨著過(guò)壓的增大而提高，在過(guò)壓110V時(shí)響應(yīng)提升分別達(dá)到了2.7倍和2.5倍。在固定過(guò)壓值時(shí)，我們限定了過(guò)壓時(shí)間的取值范圍。在過(guò)壓大于110V時(shí)，最優(yōu)過(guò)壓時(shí)間與目標(biāo)電壓具有一定線性關(guān)系，且最優(yōu)過(guò)壓時(shí)間與對(duì)應(yīng)過(guò)壓的t值的差值都在3ms左右。

參考文獻(xiàn)：

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