徐魯寧， 李宇飛， 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)物理實驗室 軟物質(zhì)物理重點實驗室，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

受盲文輸出標(biāo)準(zhǔn)的限制，現(xiàn)有技術(shù)很難在毫米級空間完成對盲文凸點顯示的控制，致使現(xiàn)有盲文輸出手段存在顯示內(nèi)容少、價格昂貴的不足，無法滿足視障群體的自學(xué)需求.電流變液(electrorheological fluids，ERF)微閥門的微流道、小體積特征[1-7]，以及極性分子型ERF更高的屈服強度[8]，為實現(xiàn)大容量、低成本、高密度閥門陣列的面陣盲文顯示器提供了可能性[9-10].在解決ER微閥門使用持久性問題之后[11]，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的閥門陣列性能一致性，成為將ER微閥門陣列應(yīng)用于面陣盲文顯示器之前必須要解決的重要問題.而閥門關(guān)鍵參數(shù)公差帶是影響并聯(lián)閥門性能一致性、正確實現(xiàn)盲文凸點顯示的重要因素.本文通過對并聯(lián)閥門性能一致性模型的理論分析，研究了影響閥門流動阻力和流量的閥門關(guān)鍵幾何參數(shù)，及其公差帶選擇對其影響的規(guī)律.并根據(jù)模型指導(dǎo)選擇了并聯(lián)閥門陣列尺寸公差帶，經(jīng)過注塑工藝加工驗證，此公差帶控制下的并聯(lián)閥門陣列可以滿足盲文標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)用需求.

1 使用原材料、儀器及設(shè)備

實驗采用中國科學(xué)院物理研究所研制的C-T-O極性分子型電流變液.顆粒體積分?jǐn)?shù)為30%，分散相為液壓油.ER閥門的工作電場由天津東文高壓電源廠的高壓直流電源(DW-P303-1AC)提供，輸出電壓范圍0 V～30 kV；并聯(lián)式閥門的進口壓力采用北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司的壓力傳感器(JYB-KO-PW2GZG)檢測，量程為0～500 kPa；由直流電源(XD17110A-120)提供24 V工作電壓，并通過美國國家儀器有限公司(NI)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(NI PXIe-6361 X Series)實時檢測進口壓力值，單通道采樣率為2 MS/s，滿足實驗要求.

2 并聯(lián)閥門加工及其一致性測試裝置和方法

電流變液并聯(lián)閥門用于面陣盲文字符顯示，在確保并聯(lián)閥門工作一致性的前提下，要具有低成本、大批量加工的特性，才能符合視障人群的消費能力，滿足其使用需求.基于以上考慮，我們采用注塑加工方式制作并聯(lián)閥門，以適用于后續(xù)的大批量加工，獲得低成本、控制盲文凸點顯示的并聯(lián)式電流變液閥門.并聯(lián)閥門性能一致性測試原理示意圖如圖1所示.圖中給出的一對并聯(lián)閥門，由活塞提供入口壓力，在工作參數(shù)相同的情況下，出口流量受閥門結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，并聯(lián)閥門出口流量的差異，會最終體現(xiàn)在盲文凸點顯示高度上.在給定的閥門進口壓力下，測定盲文凸點顯示高度是否在盲文標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之內(nèi)，即可判定并聯(lián)閥門的加工誤差是否滿足盲文顯示需求.閥門進口壓力有壓力傳感器監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C存儲，以備后續(xù)分析.

3 建模分析與討論

矩形截面流道閥門是ER閥門的一種主要形式，如圖2所示，閥門主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為閥門間隙h、閥門長度l及閥門寬度w，Q為閥門流量.

Pi和Po分別為閥門入口和閥門出口壓力，閥門壓力差為

ΔP=Pi-Po.

(1)

當(dāng)電流變液(ERF)在矩形截面流道中流動，根據(jù)矩形截面泊肅葉公式，其阻力壓差ΔP和閥門流量有如下關(guān)系：

(2)

式中，μ為流體黏度.另有

Q=vawh，

(3)

式中，va是流體在流道內(nèi)流動的平均速度，將式(3)帶入式(2)可得：

(4)

由此可見，閥門的流動阻力只與閥門間隙h和閥門長度l有關(guān).將式(4)分別對閥門長度l和閥門間隙h求導(dǎo)，可得閥門壓差隨著兩者變化的梯度：

(5)

(6)

所得梯度的絕對值越大，說明該尺寸對流動阻力變化的影響越大.在盲文凸點顯示應(yīng)用中，受盲文標(biāo)準(zhǔn)限制，及綜合考慮電流變液工作電場強度與外控電路的體積和成本，閥門間隙h為亞毫米等級，比閥門長度l的尺寸小一個數(shù)量級.因此，閥門間隙的尺寸波動對閥門流動阻力的影響，遠(yuǎn)大于閥門長度尺寸波動所造成的影響.這表明，閥門間隙尺寸及其公差帶，是影響并聯(lián)ER微閥門流動阻力波動的重要參數(shù)，是加工并聯(lián)閥門時需要著重考慮的設(shè)計參數(shù).

對于并聯(lián)形式的ER微閥門，任意兩并聯(lián)關(guān)系的微閥門流道ER1、ER2的閥門壓降相等，即ΔP1=ΔP2.參考式(2)則有：

(8)

用于盲文凸點控制的矩形截面電流變液微閥門的閥門長度l在所有閥門尺寸中取值最大，是其他兩個尺寸數(shù)值的幾倍至十幾倍量級，其公差帶波動對并聯(lián)閥門性能一致性的影響可以忽略，則有：

(9)

兩閥門的閥門間隙和閥門寬度在尺寸上的公差波動可表示為Δh和Δw，即有如下關(guān)系：

h1=h2+Δh

(10)

w1=w2+Δw.

(11)

將式(10)、(11)帶入式(9)中可得：

(12)

兩閥門的流量差：

(13)

將式(13)中的多項式進行展開，并略去式中的高次項，則有

(14)

式(14)即為矩形截面閥門尺寸公差帶的選擇依據(jù).

盲文國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定盲文凸點的高度為0.2～0.5 mm，對應(yīng)的盲文凸點的容積范圍為0.4～1 μL，因此，需要存在尺寸公差的各流道流量均在這一容積范圍之內(nèi)，即需要存在尺寸公差的任意兩流道的流量差小于0.6 μL，即|ΔQ|≤0.6 μL，若其大于0.6 μL，則并聯(lián)流道中必有某個閥門流道的流量過大或不足，流量過大會導(dǎo)致盲文凸點過高，盲文凸點間的高度波動過大，過度刺激盲人觸覺，產(chǎn)生觸摸疲勞，影響盲人閱讀持久性；流量不足則會導(dǎo)致盲文凸點突起高度不夠，無法被盲人正常感知，妨礙閱讀，形成誤顯示.

對于截面尺寸為1.8 mm(w)×0.4 mm(h)的電流變液微閥門流道，若將兩個尺寸的公差帶定義為±0.1 mm，則有-0.1 mm≤Δh≤0.1 mm，-0.1 mm≤Δw≤0.1 mm，按照式(14)計算可得，|ΔQ|≤1.034 μL，并行流道的流量差異，有較大概率大于0.6 μL；說明所選公差帶過大，顯示錯誤盲文凸點的概率很高，此公差帶不適用.若將閥門間隙的公差帶調(diào)整為±0.05 mm，保持閥門寬度公差帶不變，則可得|ΔQ|≤0.519 μL，此時并聯(lián)流道之間的流量差異在盲文標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)，滿足應(yīng)用需求.

4 并聯(lián)閥門測試結(jié)果

經(jīng)過理論模型分析，考慮到后續(xù)產(chǎn)品化的工藝可行性和工藝成本，采用注塑加工方式以閥門間隙為0.4 mm，公差帶為±0.05 mm，加工了并聯(lián)流道的ER微閥門，如圖3(a)所示.并用游標(biāo)卡尺對盲文凸點的高度進行測量，測量結(jié)果顯示，所有盲文凸點高度都在盲文標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.2～0.5 mm范圍內(nèi).滿足應(yīng)用需求，如圖3(b)所示.

5 結(jié)論

閥門尺寸公差帶選擇影響著并聯(lián)電流變液微閥門性能的一致性.對用于盲文凸點顯示的矩形截面的電流變液微閥門，其閥門間隙尺寸基數(shù)最小，它的公差帶選擇對并聯(lián)閥門性能一致性影響最大，是設(shè)計中需要著重考慮的設(shè)計參數(shù).略去流量一致性分析模型中高階項，并未影響分析結(jié)果.根據(jù)本文模型選擇的公差帶所加工出的并聯(lián)式電流變液微閥門，滿足多行盲文顯示的應(yīng)用需求.