電壓放大器基于壓電-聲流效應(yīng)的液滴定向驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

　　實(shí)驗(yàn)名稱：基于壓電-聲流效應(yīng)的液滴定向驅(qū)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)

　　研究方向：熱流科學(xué)與工程、壓電聲學(xué)交叉領(lǐng)域

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>驗(yàn)證基于壓電-聲流效應(yīng)的液滴定向驅(qū)動(dòng)技術(shù)可行性，明確該技術(shù)能否在低電壓下實(shí)現(xiàn)冷凝液滴的有效驅(qū)離，為抑霜提供新方法。分析關(guān)鍵參數(shù)（驅(qū)動(dòng)電壓、液滴體積）對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響規(guī)律，確定技術(shù)的有效工作范圍（如低驅(qū)動(dòng)電壓、優(yōu)液滴體積區(qū)間）。確定實(shí)驗(yàn)裝置的最佳激勵(lì)頻率，大化液滴吸收的聲學(xué)能量，提升驅(qū)動(dòng)效率。通過(guò)能量分析理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照，揭示液滴定向運(yùn)動(dòng)的能量吸收機(jī)制，為技術(shù)優(yōu)化與工程應(yīng)用提供理論支撐。

　　測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-2022H、阻抗分析儀、玻璃平板、壓電陶瓷、移液槍、CCD相機(jī)等。

　　實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理圖見(jiàn)圖1。

　　圖1(a)基于壓電-聲流效應(yīng)的液滴定向驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)原理示意圖；(b)實(shí)驗(yàn)裝置圖；(c)液滴內(nèi)部的聲流效應(yīng)

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

　　1、實(shí)驗(yàn)裝置搭建

　　基底處理：在玻璃平板表面涂覆疏水涂層（玻璃防水劑），確保液滴接觸角接近90°；使用紫外線光固化膠水（膠層厚度<0.1mm）將PZT-5H壓電陶瓷粘貼在玻璃平板一側(cè)，采用翻邊電極設(shè)計(jì)保證正負(fù)電極接線在同一側(cè)，便于電路連接。

　　電路連接：按“信號(hào)發(fā)生器→功率放大器→壓電陶瓷"順序連接電路，同時(shí)將阻抗分析儀接入壓電陶瓷兩端，用于檢測(cè)阻抗特性；將CCD相機(jī)對(duì)準(zhǔn)玻璃平板上的液滴放置區(qū)域，確保清晰捕捉液滴運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)實(shí)拍圖見(jiàn)圖2。

　　圖2實(shí)驗(yàn)實(shí)拍圖

　　2、最佳激勵(lì)頻率確定

　　通過(guò)數(shù)值模擬軟件構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分與阻抗-頻率特性仿真，分析不同頻率下裝置的阻抗值與振幅分布；根據(jù)仿真結(jié)果，確定650kHz為最佳激勵(lì)頻率（此頻率下阻抗僅114Ω，加載相同電壓時(shí)輸出功率最大、平板超聲波振幅強(qiáng)，液滴吸收能量最多）。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定最佳振動(dòng)頻率見(jiàn)圖3。

　　圖3根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定最佳振動(dòng)頻率

　　3、液滴運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試

　　驅(qū)動(dòng)電壓影響測(cè)試：固定液滴體積為100μl，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器設(shè)定頻率為650kHz，利用功率放大器調(diào)節(jié)輸出電壓（峰值30~100V），每間隔5~10V取一個(gè)工況；用移液槍將液滴置于玻璃平板中心，開啟設(shè)備后通過(guò)CCD相機(jī)記錄液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程，用ImageJ軟件計(jì)算各電壓下的平均運(yùn)動(dòng)速度，每個(gè)工況重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)以減少誤差（速度測(cè)量偏差<5%）。

　　液滴體積影響測(cè)試：固定驅(qū)動(dòng)電壓為50V、頻率為650kHz，通過(guò)移液槍制備體積為0~250μl的液滴（間隔50μl取工況），重復(fù)上述“放置-記錄-計(jì)算"步驟，分析液滴體積與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電壓和液滴體積對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)特性的影響見(jiàn)圖4。

　　圖4驅(qū)動(dòng)電壓和液滴體積對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)特性的影響

　　4、能量分析驗(yàn)證

　　基于微擾理論推導(dǎo)液滴吸收的無(wú)量綱聲學(xué)能量公式，計(jì)算不同液滴半徑下的能量密度；將理論計(jì)算結(jié)果（多項(xiàng)式擬合后）與實(shí)驗(yàn)中“液滴體積-運(yùn)動(dòng)速度"數(shù)據(jù)對(duì)照，驗(yàn)證能量吸收與液滴運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián)性（如理論上液滴半徑10mm時(shí)能量密度最大，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)中140~160μl液滴速度最高）。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　1、技術(shù)可行性驗(yàn)證：基于壓電-聲流效應(yīng)的液滴定向驅(qū)動(dòng)技術(shù)有效，可通過(guò)35V以上低電壓定向驅(qū)動(dòng)體積>50μl的液滴；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為75V時(shí)，100μl液滴的最大運(yùn)動(dòng)速度達(dá)88mm/s，且液滴沿超聲波傳播方向定向移動(dòng)，無(wú)明顯偏離。

　　2、驅(qū)動(dòng)電壓影響規(guī)律：液滴運(yùn)動(dòng)速度隨驅(qū)動(dòng)電壓升高呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；電壓<35V時(shí)，液滴吸收的聲學(xué)能量不足以克服表面釘扎力，無(wú)法產(chǎn)生移動(dòng)；電壓35~70V時(shí)驅(qū)動(dòng)效果優(yōu)，速度增長(zhǎng)穩(wěn)定且無(wú)液滴飛濺。

　　3、液滴體積影響規(guī)律：液滴運(yùn)動(dòng)速度隨體積增大呈先增后減趨勢(shì)；體積<50μl時(shí)，釘扎力占主導(dǎo)，液滴難以驅(qū)動(dòng)；體積50~150μl時(shí)，液滴吸收的聲學(xué)能量密度逐漸增大，速度提升至峰值53.5mm/s（150μl附近）；體積>150μl時(shí)，液滴質(zhì)量增大導(dǎo)致能量密度下降，速度逐漸降低。

　　4、最佳頻率與能量匹配：650kHz為最佳激勵(lì)頻率，此頻率下裝置阻抗114Ω、振幅最大；能量分析表明，液滴吸收的無(wú)量綱能量密度隨半徑增大先增后減，半徑10mm（對(duì)應(yīng)體積140~160μl）時(shí)能量密度最高，與實(shí)驗(yàn)中“150μl液滴速度最大"的結(jié)果一致，驗(yàn)證了理論模型的正確性。

　　電壓放大器推薦：ATA-2022B

　　圖：ATA-2022B高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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