基于微流體芯片的氣動比例壓力閥實驗教學平臺設計與開發

吳央芳，張 俊，夏春林，陸倩倩，王玉翰

（1.浙大城市學院機械電子工程系，杭州 310015；2.浙江大學機械工程學院，杭州 310007）

0 引言

氣動技術是一門理論及實踐性都很強的機械工程專業方向課程，壓力閥作為氣動系統中的一個重要元件在系統中起到了調整和控制壓力的作用，因此壓力閥是氣動技術課程的一個重要知識點［1-5］。目前大部分高校的液壓或者氣動技術所配備的實驗大多采用元件拆裝、回路系統實驗來教學壓力閥的使用及相關特性，但是由于壓力閥結構相對復雜，工作過程不能直接觀察，因此學生對壓力閥的結構、原理和性能掌握還有所不足［6-10］。

針對以上氣動實驗教學中所體現出來的問題，許多高校從儀器配備、實驗項目和實驗方法設計等方面進行了改革與探索。任永良等［11］運用FESTO公司的氣動教學平臺和液壓氣動仿真軟件Fluid SIM 構建了開放性的仿真實驗系統，利用該仿真實驗系統可自由進行氣動實驗設計。趙孟文等［12］設計了利用互聯網及遠程控制的液壓回路實驗系統，可實現遠程和互聯網模式下的可視化實驗及教學。陳敏捷等［13］利用NX、3Ds Max、Unity等專業軟件搭建了一個逼真的具有較好交互功能的實驗課程虛擬仿真系統，可完成多種類的液壓虛擬實驗。王娟等［14］利用LabVIEW并結合硬件檢測構建多功能的綜合性液壓實驗平臺，該實驗平臺可實現位置控制、回路檢測、元件性能測試等教學實驗項目。王勇剛等［15］從教學內容，教學方法，考核評價方式等方面介紹了適應現代教育體系建設的液壓與氣動控制課程教學改革，為高校進行實驗課程教學改革提供不同的思路。從上述的實驗系統及教學方法改革情況可知，大部分實驗系統都是針對液壓實驗設計且實驗過程可視化效果較差，針對氣動比例壓力閥的相關實驗項目研究幾乎未有涉及。

基于虛擬儀器技術，由多傳感器負責壓力、流量等數據的檢測，經過高性能數據采集卡上傳到與其相連的PC機，通過對此數據的處理和分析，最后由控制器控制被試閥做出相應的響應動作。開發的氣動實驗平臺集測試和控制于一體，具備多功能、模塊化等特點，能夠對氣動元件實現實時可靠的高精度測控。

1 實驗教學平臺組成及工作原理

1.1 實驗教學平臺組成

在利用LabVIEW搭建的虛擬實驗系統的基礎上，構建虛實結合的氣動教學實驗平臺，可實現氣動元件的性能測試、氣動回路的位置控制、速度檢測等實驗。平臺主要由PC機、被試閥（氣動比例壓力閥）、流量傳感器、控制器、壓力傳感器、數據采集卡、減壓閥、三聯件等組成。實驗平臺的構成框圖如圖1 所示。

圖1 實驗平臺的構成框圖

1.2 平臺各元件功能及工作原理

實驗平臺的氣源通過減壓閥及三聯件調節至合適的壓力，壓力傳感器則用于監測該氣源壓力。激光傳感器用于檢測單作用氣缸活塞桿的位置并將其轉換成電壓信號傳遞給高速數據采集卡和控制器。PC 機主機與高速數據采集卡相連，負責發出控制信號及儲存采集卡中采集到的氣源壓力和氣缸活塞桿位置數據。當控制器中輸入參考控制信號時，系統通過位置傳感器檢測出氣缸活塞桿的位置再將其轉換成電壓信號回饋給控制器，實現活塞桿位置的閉環控制。

2 實驗教學平臺硬件選型與搭建

2.1 PC機主機

采用普通PC 機作為控制主機，與數據采集卡進行相互通信，并配有可視化軟件LabVIEW開發的數據采集與處理系統界面。

2.2 壓力傳感器

系統中采用西安航動儀器儀表有限公司的CYY4型小型壓力傳感器。傳感器的測量范圍在0～1 MPa，對應輸出電流信號為4～20 mA，準確度等級為0.25%。

2.3 流量傳感器

流量傳感器采用的是德國FESTO 公司的SFAB-200U型流量傳感器。傳感器工作壓力為0～1 MPa，流量測試范圍在0～200 L／min，相對應的輸出電流信號為4～20 mA。

2.4 控制器

基于美國德州儀器（Texas Instruments）MSP430F1611 單片機開發的控制器，MSP430F1611 單片機帶有64 個引腳，含有16 位超低功耗微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）、46 KB 閃存（Flash Memory）、10 KB 隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）、12 位模／數轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、雙數／模轉換器等，具有良好的數據處理能力。

2.5 高速數據采集卡

數據采集卡為NI（National Instruments）USB-6361，提供了模擬I／O（Input／Output）口、數字I／O 口和4 個32 位計數器／定時器，用于PWM、編碼器、頻率、事件計數等，帶有16 路（其中8 路為BNC通道）模擬輸入通道（16 位，2 MB／s）和2 路模擬輸出通道（16位，2.86 MB／s）。實驗中設置的采樣頻率為10 kHz。

實驗平臺硬件搭建圖如圖2 所示。

圖2 實驗平臺硬件搭建圖

3 實驗教學平臺軟件設計

實驗教學平臺各項功能主要取決于平臺的軟件設計，此平臺基于LabVIEW完成軟件設計。LabVIEW應用程序部分由Front Panel 前面板和Diagram Programme框圖程序所構成。Front Panel 前面板為交互界面，可由此設計相應不同的實驗項目；Diagram Programme框圖程序則可完成圖形化程序設計，Front Panel各項功能都由背后相應的框圖程序所實現。

此氣動比例壓力閥教學實驗平臺軟件可實現數據采集、儲存、回放、清空、報表打印及退出等功能。其軟件設計流程圖如圖3 所示。

圖3 軟件工作流程圖

3.1 人機界面設計

LabVIEW軟件的數據采集和處理能力強、編程相對簡單且人機界面較為友好，整個編程、數據采集及處理可節省大量的程序開發時間。本實驗教學平臺的人機界面設計同樣由LabVIEW 來完成。

本實驗教學平臺的人機界面設計了如下多個顯示板塊，從而提高人機交互友好性。實驗參數設計板塊：包括實驗項目設定、數據采集卡模擬量輸入、數字量輸入配置等；圖形顯示板塊：顯示氣動比例壓力閥的滯回特性、階躍響應、正弦響應、輸入-輸出特性等曲線；實驗數值顯示板塊：顯示流量、壓力、電壓、位移、速度等值。實驗可導出的報表包含：實驗過程特性曲線，實驗開始時間、結束時間、實驗總耗時等數值，方便后續查詢整理。具體平臺人機界面如圖4 所示。

圖4 系統人機界面圖

3.2 控制程序設計

實驗平臺使用德州儀器MSP430F1611 單片機作為控制器，其控制流程圖如圖5 所示。

圖5 控制程序工作流程

控制器在接收到控制信號及壓力傳感器反饋回來的壓力信號后，通過增量PID 控制算法不斷減小兩者之間的誤差，實現閉環控制。

4 性能測試平臺實驗教學應用

利用搭建的氣動比例壓力閥性能測試實驗教學平臺，基于液壓與氣動課程開設“壓力閥性能測試”創新實驗。實驗課程以3 人為1 小組實施，小組學生依據實驗課程指導書進行實際操作，實驗內容、實驗結果及分析如下。

4.1 氣動比例壓力閥工作原理

硅流體芯片的結構如圖6 所示，采用3 層結構設計。其中Ps口為輸入端口，Pc口為控制輸出端口，Po口為反饋端口，在不通電的情況下，Ps口為常閉端口，Po口為常開端口。芯片中間層的致動器結構如圖7所示，主要由一個V字形的電熱微致動器（含4 對筋）和杠桿機構組成。

圖6 硅流體芯片結構圖

圖7 中間層致動器結構圖

芯片中間層的移動部分可看成是閥芯，當芯片通入控制電壓時，由于焦耳熱效應電流經過V 型電熱微致動器會使筋的溫度升高，導致熱膨脹，產生沿A 方向的位移，B點則作為杠桿機構的支點將位移放大。

采用硅流體芯片的氣動比例壓力閥的工作原理如圖8 所示，腔室V1連接氣壓源，腔室V2為控制輸出腔，腔室V3與外部空氣相連通。圖中的紅色曲線表示氣體的流動方向，主要通過輸入控制電壓來驅動中間層杠桿機構的移動部分，從而改變Ps口、Po口過流面積的大小，達到比例控制可變端口Pc口輸出壓力的目的。

圖8 氣動比例壓力閥工作原理圖

4.2 實驗教學內容

采用雙芯片結構的氣動比例壓力閥作為實驗對象，測試采用硅流體芯片的氣動比例壓力閥的性能。具體實驗內容包括：開環特性、壓力階躍響應、輸入-輸出特性、正弦響應特性及滯回特性等實驗。

4.3 實驗結果與分析

實驗中輸入與已知的仿真分析時相同控制信號，對應得到的開環特性實驗結果及階躍響應實驗結果分別如圖9、10 所示。實驗結果表明，采用雙芯片結構的氣動比例壓力閥近似線性可控制范圍在30%～60%左右，具有較快的響應速度，階躍響應上升時間小于40 ms。此外，該閥存在一定的死區、飽和區以及滯回。產生死區及飽和區的原因可能與芯片采用電熱致動的機制有關，在芯片兩端通入控制電壓時，電流流過電阻會產生歐姆熱效應，熱量在致動器中累積從而產生致動效應使Po口逐漸開啟，熱量的積累需要一定的時間，因而形成了死區；當兩端的控制電壓逐漸減小或者突變到0 時，Po口的開度主要與致動器熱量耗散的快慢程度有關（當電壓降低而熱量耗散較慢時則產生了飽和區）。氣動比例壓力閥的輸入輸出滯回特性可能與芯片的單向致動機制有關，當需要增加壓力時，致動器輸入控制電壓，而當需要降低壓力時，致動器中會輸入更少的控制電壓或者沒有控制電壓。對于該閥增壓狀態（端口Ps打開、端口Po關閉）的調節是主動的（輸入更大的控制電壓），而對于減壓狀態（端口Ps關閉、端口Po打開）是被動的，只能依靠杠桿機構和致動器的組合恢復力來減小壓力。

圖9 三角波滯回特性實驗曲線

圖10 階躍響應實驗結果

輸入周期為4 s 的三角波控制電壓信號，氣動比例壓力閥的輸入輸出特性實驗結果如圖11 所示，結果表明該閥具有良好的線性度。

圖11 輸入-輸出特性實驗曲線

輸入頻率為8 Hz的正弦控制信號，氣動比例壓力閥的輸出壓力曲線如圖12 所示，輸出壓力能夠較好地跟隨控制信號變化，最大誤差為15 kPa，該閥具有較好的動態特性。

圖12 正弦響應實驗曲線

氣動比例壓力閥的滯回特性實驗曲線如圖13 所示，隨著控制信號頻率的增加，不規則的循環回路逐漸擴大。

圖13 不同控制信號頻率時的滯回特性實驗曲線

綜上，在開環特性實驗中，氣動比例壓力閥存在一定的死區和滯回，可能與芯片的單邊致動原理有關。閉環實驗結果表明，該閥具有良好的靜、動態特性。氣源壓力為0.7 MPa 時，其階躍響應上升時間小于40 ms，具有較快的響應速度；輸入輸出特性實驗中，該閥展現了良好的線性度；正弦信號響應實驗中，氣動比例壓力閥可以較好地跟隨頻率為8 Hz正弦控制信號，具有良好的動態特性。

5 結語

傳統的氣動技術課程實驗較少基于氣動比例壓力閥來開展相關性能的測試。設計開發利用虛擬儀器技術的氣動技術實驗平臺，實驗教學平臺集氣動、電子、機械、控制、測試、虛擬儀器等技術于一體，采集測量、控制分析等任務均由LabVIEW 實現。該平臺克服了傳統氣動實驗測試對象落后、實驗誤差較大、故障率高等缺點，可有效培養學生的創新意識、數據處理與分析能力以及實踐動手能力。下一步計劃利用該實驗教學平臺，嘗試采用模糊控制、神經網絡等控制算法進行氣動比例壓力閥性能的比較測試實驗，實現實驗教學內容的延伸和拓展，進一步增大學生受益面。