黃靖宇 ,徐魯寧 ,韓 立 ,沈 容 ,陸坤權

(1.中國科學院電工研究所 微納加工技術部,北京 100190;2.中國科學院物理研究所 北京國家凝聚態(tài)物理重點實驗室,北京 100190;3.中國科學院大學,北京 100049)

根據中國第六次人口普查和第二次全國殘疾人抽樣調查,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]。

電流變液具有響應迅速,固、液兩態(tài)轉換可逆性好等特點,是微閥門的良好介質[8-9];可直接通過電壓信號實現(xiàn)閥門壓力和流量的控制,為實現(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的盲文刷新速率進行相關研究[12]。文中通過建立用于盲文顯示器的電流變液閥門的數(shù)學模型,仿真分析閥門關鍵參數(shù)的影響規(guī)律。

1 數(shù)學模型建立

文中所用的盲文顯示器實驗裝置如圖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顯示模塊、閥門陣列模塊、液壓模塊、電控模塊、驅動模塊5個部分組成。

圖1 盲文顯示器實驗裝置圖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構如圖3所示。盲文凸點工作流程為:當電極不施加電壓時,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,盲文凸點處于可上下運動狀態(tài);當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。根據中國盲文標準規(guī)定,盲文點距應在2.2～2.8 mm 之間[13],因此微閥門的設計對整套系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定性起到關鍵性的作用。

矩型截面流道微閥門是電流變微閥門的一種主要形式,其結構如圖4所示,閥門主要結構參數(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

文中重點關注電流變液流經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)學模型為[14]

式中:μ為流體粘度;τERF為電流變液剪切應力。

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力成正比,與閥門間隙成反比,并且與閥門內的介質特性直接相關。

2 模型分析與討論

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

根據極性分子型電流變液所測得的相關屬性,在閥門兩端施加不同大小的電壓U時,電流變液的剪切應力τERF也會隨之改變。通過理論分析,結果如圖5所示,當閥門間隙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。設微閥門流道長度l為恒值,當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應控制在所選介質耐壓值之內。

圖5 靜態(tài)壓差與閥門間隙關系圖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,當施加電壓U＞800 V 時,滿足盲文顯示器的穩(wěn)定性需求,但實際設計上,應該留出一定的裕量,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應大于1 000 V,且施加電壓U越大,臨界工作點越靠右,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力,那么在相同施加電壓下,臨界工作點將右移,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,盲文凸點的刷新速率,還應該滿足盲人的實際應用需求。根據盲文顯示國家標準[11],通過對盲人盲文閱讀速度的實際調研,盲文顯示器顯示速率的應滿足4次/s,即每個凸點一個工作周期所用時間應在250 ms之內,并且單個凸點工作過程中,對相鄰的凸點,不能有任何影響。

根據矩型截面泊肅葉公式為

設微閥門流道機械放大倍數(shù)ξ為

為了滿足盲文顯示器刷新速率的要求,如圖7所示,當微閥門機械放大倍數(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應選擇在一定的范圍之內。若使用的微閥門介質的流體粘度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系圖Fig.7 Laminar resistance and valve clearance diagram

3 結論

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,是閥門設計中需要著重考慮的設計參數(shù)。根據文中提供的模型選擇的微閥門結構參數(shù),可以供同類應用參考。