用于盲文顯示的電流變閥門關鍵參數分析

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閥門壓力和流量的控制,為實現大面幅、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定性,并對影響盲文顯示器工作狀態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學模型,仿真分析閥門關鍵參數的影響規律。

1 數學模型建立

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,即電流變液在微閥門內處于零場狀態時,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;當電極施加一定的電壓,電流變微閥門處于工作狀態時,電流變液在兩電極所形成的電場作用下發生變性,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工作狀態最重要的部分。根據中國盲文標準規定,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工作狀態穩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以及閥門的靜態壓差Pstatic,通過理論計算可以得到二者的數學模型為[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的選擇,不同的微閥門介質只需將模型中的對應參數進行替換即可。

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定性,微閥門的靜態壓差應大于動態壓差,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,能滿足穩定性需求。故為了保證微閥門可以長期穩定工作,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,提升系統可控性。

圖6 靜態壓差與動態壓差關系圖Fig.6 Diagram of static and dynamic differential pressure

除了滿足微閥門工作穩定性之外,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的可控區間會隨之增大,可以提升整套系統的可控性。

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選擇,影響著閥門的工作穩定性,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。根據文中提供的模型選擇的微閥門結構參數,可以供同類應用參考。