實(shí)驗(yàn)名稱：電流體噴印實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)

　　測(cè)試設(shè)備：ATA-7030高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、示波器、高速相機(jī)、激光光源控制器、激光光源、電腦等。

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

　　圖1：錐射流觀測(cè)平臺(tái)：（a）實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和（b）主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其中1是高速相機(jī)，2是顯微放大鏡頭，3是微量注射泵，4是注射泵控制器，5是激光光源控制器，6是激光光源，7是高壓放大器，8是函數(shù)發(fā)生器，9是示波器，10是XY移動(dòng)平臺(tái)，11是電腦控制系統(tǒng)。1、2、5和6組成高速相機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)，7、8和9組成高電壓產(chǎn)生系統(tǒng)

　　電流體噴印實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置如圖1（a）所示，主要功能模塊包括高電壓產(chǎn)生系統(tǒng)、高速相機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)、流量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和平臺(tái)移動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中的墨液通過(guò)注射器的注入，注射器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定，由微泵驅(qū)動(dòng)，如圖1（b）中3。注射器推進(jìn)速度可以通過(guò)設(shè)置微泵控制器注入流量來(lái)改變，最小流量可達(dá)138nL/min。注射器可方便更換20~30G不銹鋼針頭，針頭通過(guò)鱷魚夾外接高壓放大器的正極。高壓放大器和函數(shù)發(fā)生器、示波器組成高電壓系統(tǒng)，如圖3（b）中7、8和9。該系統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生任意波形信號(hào)輸入到高壓放大器，高壓放大器僅放大電壓信號(hào)，不放大頻率。函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生交流脈沖的最大頻率可達(dá)25MHz，高壓放大器在波形不失真的情況下最高放大的電壓不超過(guò)±3kV。放大后的電壓通過(guò)示波器進(jìn)行測(cè)量，示波器測(cè)量的電壓是其輸入電壓的1/1000。高電壓系統(tǒng)的三個(gè)儀器均可連接電腦，通過(guò)LabVIEW開(kāi)發(fā)的控制軟件進(jìn)行統(tǒng)一操控。注射器連同執(zhí)行機(jī)構(gòu)一起固定在并列的兩個(gè)FSL40直線導(dǎo)軌絲桿滑臺(tái)模組上，該模組能夠絲杠能以最小1mm/s的速度升降，即圖1（a）中的Z軸升降臺(tái)。注射器正下方是樹脂基板，基板上放置光滑不銹鋼薄片，不銹鋼薄片通過(guò)鱷魚夾連接高壓放大器的負(fù)極。不銹鋼薄片上緊貼透明絕緣膠布，防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中正負(fù)極相接。基板位于X-Y軸移動(dòng)平臺(tái)上，該移動(dòng)平臺(tái)由兩個(gè)28號(hào)微型步進(jìn)電機(jī)垂直布置組成，電機(jī)由24V開(kāi)關(guān)電源供電。電機(jī)的控制端連結(jié)電腦，通過(guò)電腦上的微軟基礎(chǔ)類庫(kù)開(kāi)發(fā)的軟件設(shè)置運(yùn)行速度，最小速度可達(dá)25μm/s。注射器針頭針尖水平位置布置有高速相機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)，由圖1（b）中的1、2和4組成。高速相機(jī)捕捉畫面達(dá)200萬(wàn)像素，在全畫幅下幀率最高達(dá)3000fps。顯微放大鏡頭用于放大圖像，最大放大倍數(shù)可達(dá)4倍。激光光源提供高強(qiáng)度光照，能夠在10000幀小畫幅下提供充足照明。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　圖2：射流斷裂觀測(cè)平臺(tái)：（a）主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備和（b）針-圓筒式同軸電極結(jié)構(gòu)。其中1是流量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，2是高電壓系統(tǒng)，3是高速相機(jī)，4是圓筒電極，5是LED光源，6是電腦，7是廢液接收器；紅色和黑色實(shí)線分別是正極和負(fù)極線，綠色虛線是連接電腦線路

　　為了觀測(cè)射流斷裂過(guò)程，圖2展示了同軸帶電射流的實(shí)驗(yàn)裝置。在一般的電流體噴印實(shí)驗(yàn)中，錐射流射流部分的直徑遠(yuǎn)小于噴嘴內(nèi)徑，對(duì)于27G的針頭，其射流直徑不超過(guò)10μm。目前即使最先進(jìn)的高速相機(jī)也捕捉不到如此細(xì)的射流界面的變化。因此下圖中的同軸帶電射流裝置，射流直接從針頭擠壓而出，不產(chǎn)生泰勒錐，射流的半徑在100μm左右。同時(shí)射流包裹有透明導(dǎo)電電極，用于產(chǎn)生徑向電場(chǎng)，如圖2（a）中4所示。在射流斷裂實(shí)驗(yàn)中，保持相關(guān)的無(wú)量綱和電流體噴印中接近，這類似于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的相似原理。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括電射流產(chǎn)生模塊和高速相機(jī)觀測(cè)模塊。在電射流產(chǎn)生模塊，射流由注射泵驅(qū)動(dòng)，通過(guò)針電極噴射出，再經(jīng)過(guò)同軸電極。這種模塊也被稱為針-圓筒式電極結(jié)構(gòu)。其中針電極施加直流電壓，同軸電極接地。射流最終斷裂的液滴被接收器所接收。高速相機(jī)用于捕捉斷裂過(guò)程，最高幀率可達(dá)2×10⁴fps，能夠捕捉到接近斷裂時(shí)刻界面特征。

　　高壓放大器推薦：ATA-7030

　　圖：ATA-7030高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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