黃靖宇 ,徐魯寧 ,韓 立 ,沈 容 ,陸坤權(quán)

(1.中國科學(xué)院電工研究所 微納加工技術(shù)部,北京 100190;2.中國科學(xué)院物理研究所 北京國家凝聚態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

根據(jù)中國第六次人口普查和第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查,中國有1 263萬視障人士,中國是世界上盲人人數(shù)最多的國家[2]。盲人的信息無障礙交流,是一項不容忽視的民生問題,歷年來受到政府的高度關(guān)注[3],目前市面上的盲文顯示裝置信息量少、成本高,無法滿足盲人群體的閱讀需求。研制出大幅面、低成本的盲文顯示器具有重要意義[4-7]。

電流變液具有響應(yīng)迅速,固、液兩態(tài)轉(zhuǎn)換可逆性好等特點(diǎn),是微閥門的良好介質(zhì)[8-9];可直接通過電壓信號實(shí)現(xiàn)閥門壓力和流量的控制,為實(shí)現(xiàn)大面幅、低成本盲文顯示器提供了可能性[10]。目前在電流變液微閥門的研究上已取得豐碩的成果[11],但是適用于盲文顯示器的極少,為此筆者研究了電流變液微閥門的穩(wěn)定性,并對影響盲文顯示器工作狀態(tài)與影響盲人閱讀體驗(yàn)的盲文刷新速率進(jìn)行相關(guān)研究[12]。文中通過建立用于盲文顯示器的電流變液閥門的數(shù)學(xué)模型,仿真分析閥門關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型建立

文中所用的盲文顯示器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,通過對系統(tǒng)功能劃分,將整套裝置可簡化為如圖2所示的功能模塊框架圖;盲文顯示器主要由凸點(diǎn)顯示模塊、閥門陣列模塊、液壓模塊、電控模塊、驅(qū)動模塊5個部分組成。

圖1 盲文顯示器實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Braille display device

圖2 功能模塊框架圖Fig.2 Functional module block diagram

閥門陣列及盲文顯示層結(jié)構(gòu)如圖3所示。盲文凸點(diǎn)工作流程為:當(dāng)電極不施加電壓時,微閥門處于非工作狀態(tài),即電流變液在微閥門內(nèi)處于零場狀態(tài)時,如圖中紅色箭頭所示,電流變液在兩層微閥門陣列中自由流動,盲文凸點(diǎn)處于可上下運(yùn)動狀態(tài);當(dāng)電極施加一定的電壓,電流變微閥門處于工作狀態(tài)時,電流變液在兩電極所形成的電場作用下發(fā)生變性,微閥門起到阻止電流變液通過的作用,盲文凸點(diǎn)不動作。

圖3 閥門陣列及盲文顯示層示意圖Fig.3 Valve array and braille display layer

電流變微閥門陣列是影響整套系統(tǒng)工作狀態(tài)最重要的部分。根據(jù)中國盲文標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,盲文點(diǎn)距應(yīng)在2.2～2.8 mm 之間[13],因此微閥門的設(shè)計對整套系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定性起到關(guān)鍵性的作用。

矩型截面流道微閥門是電流變微閥門的一種主要形式,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,閥門主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為閥門間隙d、閥門長度l及閥門寬度w、閥門流量Q。

圖4 矩形截面流道示意圖Fig.4 Rectangular section flow channel

P i與P o分別為閥門入口和閥門出口壓力,閥門壓力差為

文中重點(diǎn)關(guān)注電流變液流經(jīng)閥門所需要的流動壓差Pflow以及閥門的靜態(tài)壓差Pstatic,通過理論計算可以得到二者的數(shù)學(xué)模型為[14]

式中:μ為流體粘度;τERF為電流變液剪切應(yīng)力。

在式(2)中,可以得到流動壓差Pflow與流道長度l、流量Q成正比,與閥門寬度w、閥門間隙d的三次方成反比;在式(3)中,可以得到靜態(tài)壓差Pstatic與所使用液體的剪切應(yīng)力成正比,與閥門間隙成反比,并且與閥門內(nèi)的介質(zhì)特性直接相關(guān)。

2 模型分析與討論

文中以極性分子型電流變液特性舉例,并對模型進(jìn)行討論以及微閥門各個參數(shù)的選擇,不同的微閥門介質(zhì)只需將模型中的對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行替換即可。

根據(jù)極性分子型電流變液所測得的相關(guān)屬性,在閥門兩端施加不同大小的電壓U時,電流變液的剪切應(yīng)力τERF也會隨之改變。通過理論分析,結(jié)果如圖5所示,當(dāng)閥門間隙d恒定時,隨著施加電壓U的增大,閥門靜態(tài)壓差ΔPstatic也隨之增大。設(shè)微閥門流道長度l為恒值,當(dāng)U=0 V 時,Pstatic會保持一個較小的值線性增長,且增長的趨勢極為平緩;Pstatic會隨著施加電壓U的增大而增大,但由于電流變液的耐壓限制,施加電壓U應(yīng)控制在所選介質(zhì)耐壓值之內(nèi)。

圖5 靜態(tài)壓差與閥門間隙關(guān)系圖Fig.5 Diagram of static differential pressure and valve clearance

為了滿足盲文顯示器的工作穩(wěn)定性,微閥門的靜態(tài)壓差應(yīng)大于動態(tài)壓差,即Pstatic＞Pflow,如圖6所示,通過理論分析計算,對于所使用的這款極性分子型電流變液而言,當(dāng)施加電壓U＞800 V 時,滿足盲文顯示器的穩(wěn)定性需求,但實(shí)際設(shè)計上,應(yīng)該留出一定的裕量,文中留出50 k Pa的裕量后,施加電壓U＞1 000 V,且閥門間隙d＜0.4 mm 時,能滿足穩(wěn)定性需求。故為了保證微閥門可以長期穩(wěn)定工作,施加電壓U應(yīng)大于1 000 V,且施加電壓U越大,臨界工作點(diǎn)越靠右,閥門間隙d的控制范圍越廣,但由于施加電壓過大,所需的開關(guān)控制器件體積越大,盲文顯示器的便攜性下降,不利于盲人的使用。若微閥門在相同條件下可以提供更高的剪切應(yīng)力,那么在相同施加電壓下,臨界工作點(diǎn)將右移,提升系統(tǒng)可控性。

圖6 靜態(tài)壓差與動態(tài)壓差關(guān)系圖Fig.6 Diagram of static and dynamic differential pressure

除了滿足微閥門工作穩(wěn)定性之外,盲文凸點(diǎn)的刷新速率,還應(yīng)該滿足盲人的實(shí)際應(yīng)用需求。根據(jù)盲文顯示國家標(biāo)準(zhǔn)[11],通過對盲人盲文閱讀速度的實(shí)際調(diào)研,盲文顯示器顯示速率的應(yīng)滿足4次/s,即每個凸點(diǎn)一個工作周期所用時間應(yīng)在250 ms之內(nèi),并且單個凸點(diǎn)工作過程中,對相鄰的凸點(diǎn),不能有任何影響。

根據(jù)矩型截面泊肅葉公式為

設(shè)微閥門流道機(jī)械放大倍數(shù)ξ為

為了滿足盲文顯示器刷新速率的要求,如圖7所示,當(dāng)微閥門機(jī)械放大倍數(shù)ξ一定時,微閥門流阻R會隨著閥門間隙d的增大而減小,根據(jù)層流阻力計算公式ΔP=Q·R,閥門流動壓差ΔPflow也會隨著降低,更加有利于微閥門的控制,但閥門間隙d越大,在相同的電場下,微閥門兩端所需的施加電壓U也越大,盲文顯示器體積隨之增大,盲文顯示器的便攜性下降,故閥門間隙d應(yīng)選擇在一定的范圍之內(nèi)。若使用的微閥門介質(zhì)的流體粘度μ更低,層流阻力將會隨之降低,所需閥門靜態(tài)壓差ΔPstatic也會隨之降低,臨界工作點(diǎn)右移,微閥門間隙d的可控區(qū)間會隨之增大,可以提升整套系統(tǒng)的可控性。

圖7 層流阻力與閥門間隙關(guān)系圖Fig.7 Laminar resistance and valve clearance diagram

3 結(jié)論

電流變微閥門的參數(shù)選擇,影響著閥門的工作穩(wěn)定性,及閥門流量。對用于盲文顯示器的矩型截面的電流變液微閥門,其閥門間隙參數(shù)選擇的臨界點(diǎn)會隨著微閥門施加電壓的升高而增大,因此施加電壓及閥門間隙的選擇,是閥門設(shè)計中需要著重考慮的設(shè)計參數(shù)。根據(jù)文中提供的模型選擇的微閥門結(jié)構(gòu)參數(shù),可以供同類應(yīng)用參考。