發(fā)布時間：2017-04-15 01:20

  本文關鍵詞：壓電驅動撞針式高黏性液體微量分配技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：各類液體材料的快速、微量、精確分配操作,是生命科學、微電子、快速制造等領域實驗操作中不可或缺的技術手段。尤其近幾年來來,隨著各領域相關技術的發(fā)展,實驗中需要分配的液體種類越來越多,尤其一些高粘度、難分配的液體材料不斷成為研究對象,而需要的液體劑量不斷減小,要求的分配速度不斷提高。此時,微量高黏性液體材料的快速、精確分配成為影響液體應用領域發(fā)展的關鍵技術之一,這使得研究能夠對高粘度液體進行微量分配操作的技術和設備,具有十分重要的意義。本文面向各類液體應用領域對高黏性液體材料的分配需求,針對微量高黏性液體不易分配的問題,開展將壓電驅動和撞針式噴射原理相結合的壓電驅動撞針式微量分配方法的研究,研制了面向高黏性液體微量分配的壓電驅動撞針式噴射閥,開發(fā)了包含該噴射閥、驅動模塊、運動平臺和人機接口模塊的一套微噴系統(tǒng),實現(xiàn)了對微量高黏性液體的快速、精確、靈活分配,滿足了相關領域的分配需求。為了保證在壓電驅動撞針式分配模式下,具有不同粘度和體積的微量高黏性液滴能夠穩(wěn)定地從噴嘴端部脫離,本文對液滴的形成和脫離過程進行了研究。首先,基于量綱分析和π定理得到對液滴形成和脫離過程具有重要影響作用的若干無量綱參數(shù)(韋伯數(shù)、雷諾數(shù)、奧內(nèi)佐格數(shù)等);然后,在CFD軟件Fluent中,利用上述無量綱參數(shù)研究了系統(tǒng)參數(shù)對液滴形成和脫離過程的影響,得到了液滴形成并從噴嘴端部脫離的三個條件:1)分配不同粘度液體時,需調(diào)控分配系統(tǒng)參數(shù)(如噴嘴半徑、分配壓力與速度等),將奧內(nèi)佐格數(shù)、雷諾數(shù)等無量綱參數(shù)控制在合理范圍內(nèi),方能形成穩(wěn)定的液滴;2)液滴脫離時間與粘度成正比,且分配脈沖的間隔時間與脫離時間的比值需大于1.4,方能保證液滴順利脫離;3)單次可分配的最小體積與韋伯數(shù)成反比,且不小于與噴嘴等半徑的球體體積;最后,利用搭建的壓電驅動撞針式微噴平臺對不同粘度的液體進行了分配實驗,驗證了理論分析結果的可靠性,指導了壓電驅動撞針式微噴系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)控和優(yōu)化。為了研究系統(tǒng)結構、控制參數(shù)對不同粘度液體的分配體積與速度等的影響規(guī)律,指導壓電驅動撞針式微噴系統(tǒng)的設計和控制,基于鍵合圖理論,構建微噴系統(tǒng)的動力學模型;通過Matlab仿真分析和實驗,研究了如閥體內(nèi)液流通道的結構和尺寸、氣壓、電壓、粘度等參數(shù)對液體分配過程的影響,得到了分配速度和液滴體積的預測公式;結合考慮液滴形成和脫離的條件,通過劃分液體粘度梯度,確定了適合不同梯度內(nèi)液體分配的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)控范圍。研究結果對確定噴射閥關鍵部件的結構和尺寸,調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)等具有指導意義。為了實現(xiàn)微量高黏性液體材料的精確、靈活、快速分配操作,構建了基于模糊自適應PID的微量預分配控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用精密天平秤取液滴質(zhì)量來獲取液滴尺寸信息,并以此作為控制系統(tǒng)反饋量,能夠在經(jīng)過較少次數(shù)的預分配試驗后,獲取未知粘度液體分配的微噴系統(tǒng)控制參數(shù)。在以上研究的基礎上,開發(fā)了壓電驅動撞針式高黏性液體微量分配系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由噴射閥、噴射閥驅動模塊、運動平臺和人機接口模塊構成。該噴射閥利用壓電致動器帶動撞針上下往復振動,利用高壓空氣驅動高黏性液體沿閥體內(nèi)通道流動,以此實現(xiàn)對液滴分配狀態(tài)的控制;噴射閥驅動模塊能夠產(chǎn)生并放大壓電致動器驅動電壓信號、氣壓調(diào)整信號;運動平臺模塊可承載基板沿規(guī)劃的路線運動,實現(xiàn)了對液滴墜落位置的控制;人機接口程序模塊實現(xiàn)了人機交互,可對各項控制參數(shù)進行設置�；谏鲜鰢娚溟y和控制系統(tǒng),利用多種不同粘度的液體材料進行微量分配實驗,對微噴系統(tǒng)的性能進行測試。實驗結果表明,系統(tǒng)分配速度可達到200個液滴/秒,可獲取的最小液滴體積為0.055?L,分配精度在8%(CV)以內(nèi),準確度在?6%以內(nèi),可對100000 m Pa.s粘度范圍內(nèi)的液體材料進行分配操作。在液滴分配過程中,運動平臺能夠以需要的速度沿規(guī)劃的路線運動,噴射閥可及時地將液滴噴射到指定位置。上述結果充分滿足了不同液體應用領域對高粘度液體能夠快速、靈活、精確分配操作的要求。
【關鍵詞】：高黏性 撞針式噴射閥 壓電致動器 鍵合圖 集總參數(shù)法
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O357
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-34
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義14-15
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-30
• 1.2.1 高黏性液體應用現(xiàn)狀研究15-19
• 1.2.2 液體微量分配方法研究現(xiàn)狀19-27
• 1.2.3 液體微量分配過程研究現(xiàn)狀27-30
• 1.3 課題來源及主要研究內(nèi)容30-34
• 1.3.1 課題來源30-31
• 1.3.2 主要研究內(nèi)容31-34
• 第2章 高黏性液滴噴射過程研究34-57
• 2.1 引言34
• 2.2 影響高黏性液滴形成和脫離的因素34-37
• 2.2.1 高黏性液滴分配過程存在的問題34-35
• 2.2.2 影響液滴形成及脫離的因素35-37
• 2.3 基于量綱分析和數(shù)值仿真的液滴脫離過程研究37-50
• 2.3.1 量綱分析與 π 定理37-38
• 2.3.2 影響脫離過程的無量綱參數(shù)38-39
• 2.3.3 高黏性液滴形成及脫離過程仿真分析39-50
• 2.4 高黏性液滴脫離實驗50-56
• 2.5 本章小結56-57
• 第3章 壓電驅動撞針式微噴系統(tǒng)建模與分析57-82
• 3.1 引言57
• 3.2 壓電驅動撞針式噴射閥的構成及工作原理57-59
• 3.2.1 噴射閥的構成57-58
• 3.2.2 噴射閥的工作原理58-59
• 3.3 基于鍵合圖理論的微噴系統(tǒng)建模59-70
• 3.3.1 鍵合圖理論59-60
• 3.3.2 基本液流通道的鍵合圖模型60-63
• 3.3.3 機電模塊的鍵合圖模型63-65
• 3.3.4 液氣模塊的鍵合圖模型65-67
• 3.3.5 分配閥的鍵合圖模型67-70
• 3.4 高黏性液體快速微量分配過程分析70-80
• 3.4.1 鍵合圖模型的驗證70-73
• 3.4.2 控制參數(shù)對分配過程的影響73-77
• 3.4.3 結構參數(shù)對分配過程的影響77-79
• 3.4.4 粘度對分配過程的影響79-80
• 3.5 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)控范圍80-81
• 3.6 本章小結81-82
• 第4章 高黏性液體微量分配控制方法研究82-101
• 4.1 引言82
• 4.2 控制目標及影響分配精度的因素82-86
• 4.2.1 控制目標82-83
• 4.2.2 影響分配精度的因素83-86
• 4.3 控制系統(tǒng)組成原理86-87
• 4.4 基于模糊自適應PID控制的分配方法87-95
• 4.4.1 模糊量化處理89-90
• 4.4.2 建立模糊控制規(guī)則90-92
• 4.4.3 模糊推理92-94
• 4.4.4 去模糊化處理94-95
• 4.5 高黏性液體微量分配效果測試95-100
• 4.6 本章小結100-101
• 第5章 壓電驅動撞針式微噴系統(tǒng)研制及實驗研究101-117
• 5.1 引言101
• 5.2 微噴系統(tǒng)的構成原理101-102
• 5.3 微噴系統(tǒng)的研制102-109
• 5.3.1 壓電驅動撞針式噴射閥102-105
• 5.3.2 噴射閥驅動模塊105-107
• 5.3.3 運動控制模塊107-108
• 5.3.4 人機接.控制模塊108-109
• 5.4 微噴系統(tǒng)分配實驗109-116
• 5.5 本章小結116-117
• 結論117-119
• 參考文獻119-130
• 附錄 1130-133
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果133-136
• 致謝136-137
• 個人簡歷137

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 郭子政;黃佳聲;;磁流體中非磁粒子的磁驅動和捕獲[J];信息記錄材料;2014年01期

2 陳芳;楚明華;李曉琦;李玉彬;李學慧;;磁場下磁性液滴拉伸、移動和分裂現(xiàn)象及分析[J];微納電子技術;2014年09期

3 姚玉峰;路士州;劉亞欣;孫立寧;;微量液體自動分配技術研究綜述[J];機械工程學報;2013年14期

4 Meng Zhao;Cheng-Jun Liu;Shang-Lin Jiang;Jian-Hui Hu;Ji-Bin Zou;;Computation method of magnetic fluid in strong magnetic field[J];Rare Metals;2014年06期

  本文關鍵詞：壓電驅動撞針式高黏性液體微量分配技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：307294