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高壓放大器在鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用

測(cè)試技術(shù)分享 ? 來源:測(cè)試技術(shù)分享 ? 作者:測(cè)試技術(shù)分享 ? 2023-02-02 16:06 ? 次閱讀

實(shí)驗(yàn)名稱:高壓放大器在鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用

研究方向:新型材料

測(cè)試目的:

微/納馬達(dá)雖然是一種以實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)的動(dòng)力裝置,但其在科學(xué)研究方面的價(jià)值也尤為重要。在微/納米尺度下,它可以接受能量注入,進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化和機(jī)械功輸出,并實(shí)現(xiàn)特定的力學(xué)功能。它的研究匯集了電子、機(jī)械、材料科學(xué)以及物理、化學(xué)和生物中新生長出的(包括交叉的、不同層次的)微小和微觀領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)綜合體,對(duì)于研究微納尺度下粒子的運(yùn)動(dòng)特性有著重要的意義,反過來也對(duì)物理、化學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展有著一定的推動(dòng)作用。

測(cè)試設(shè)備:ATA-2082高壓放大器、芯片、印制電路板、安卓手機(jī)電腦、小銅微珠等。

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圖4-5(a)控制平臺(tái)示意圖。(b)由編程電場(chǎng)引導(dǎo)的鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡。(c)由~800mm微珠組成4×4陣列操作芯片的攝影圖像。(d)“迷你鋼琴”示意圖。(e)播放音樂時(shí),操控鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)跳躍的照片圖像。

實(shí)驗(yàn)過程:

設(shè)計(jì)一個(gè)控制平臺(tái),通過控制平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)對(duì)鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的精準(zhǔn)操控。馬達(dá)控制平臺(tái)系統(tǒng)由輸入指令的互動(dòng)媒體端、可以產(chǎn)生模擬信號(hào)電源端、放大信號(hào)的電壓放大器端以及接收放大信號(hào)的操控芯片組成。如圖4-5(a)所示。輸入指令的互動(dòng)媒體端主要是由預(yù)先裝好指令程序的計(jì)算機(jī)組成的。在指令程序中預(yù)先設(shè)定好指令信號(hào)串,指令信號(hào)串通過轉(zhuǎn)換電源轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),模擬信號(hào)通過電壓放大器放大信號(hào)脈沖,放大后的信號(hào)脈沖傳輸?shù)浇邮辗糯笮盘?hào)的操控芯片上。馬達(dá)就會(huì)按著預(yù)先設(shè)計(jì)好的指令信號(hào)串實(shí)現(xiàn)沿著固定軌道的三維跳躍運(yùn)動(dòng)。操作芯片是由預(yù)先設(shè)計(jì)好電路結(jié)構(gòu)的印制電路板(PCB)和直徑為800mm的小銅微珠微焊接而成。PCB電路板尺寸為5cm×5cm,板內(nèi)設(shè)計(jì)出4×4個(gè)微型槽,每個(gè)槽的直徑為200mm。通過微焊接技術(shù)將小銅珠焊接在4×4個(gè)微型槽中。這樣操控芯片就設(shè)計(jì)完成如圖4-5(c)。微型馬達(dá)操控平臺(tái)是由直徑為800mm的小銅微珠排列成4×4矩陣操控芯片與紙基板組成。操控芯片到紙基板之間的垂距離為2mm。通過獨(dú)立切換4×4矩陣中每個(gè)微銅球施加信號(hào)脈沖來實(shí)現(xiàn)微型馬達(dá)的不同微球之間的三維跳躍運(yùn)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微型馬達(dá)的精確可控運(yùn)動(dòng)。我們通過這個(gè)操控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)在紙基板的沿著固定軌跡(“C”“T”“G”“U”四個(gè)字母軌跡)的三維精確跳躍任務(wù)。

操作過程如下:首先給操控芯片上的4×4矩陣微銅球沿時(shí)間前后順序依次輸入“C”“T”“G”“U”軌跡的脈沖信號(hào),時(shí)間間隔為1S,馬達(dá)便隨著不同時(shí)間間隔微電極提供的局部電場(chǎng)來指引其完成沿規(guī)定水平方向的三維跳動(dòng)。值得注意的是,相鄰的微珠之間的距離至少要大于微珠的半徑,以防止當(dāng)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)入時(shí)他們之間產(chǎn)生電弧(火花)。通過分別在電極陣列上事先設(shè)定的電壓軌跡,鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)可以沿著規(guī)定的軌跡跳動(dòng),同時(shí)也可以根據(jù)需要啟動(dòng)/停止。如圖4-5(b)。顯然,在這個(gè)控制系統(tǒng)中,操作的精度很大程度上依賴于整列單元的大小。通過減小微珠直徑和微珠間距可以達(dá)到10微米級(jí)別的高精度。然而,當(dāng)進(jìn)一步減小單元尺寸時(shí),微電極產(chǎn)生的電場(chǎng)也會(huì)相應(yīng)地減小,這極大影響了鎵基液態(tài)金屬的跳變性能。因此,在每一種情況下,自己評(píng)估操作精度和操作性能之間的平衡是非常必要的。

在此基礎(chǔ)上,我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一架“迷你電子鋼琴”如圖4-5d所示。“迷你電子鋼琴”系統(tǒng)包括一款安裝了鋼琴應(yīng)用程序的安卓手機(jī)、中央電腦、電壓源以及控制平臺(tái)幾部分。安裝了鋼琴應(yīng)用程序的安卓手機(jī)被用來輸入演奏音樂音符極作為輸入命令端口。連接到手機(jī)端口的中央電腦被用來作為接收這些信號(hào)的端口,并通過它將輸入音樂音符信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),電信號(hào)通過電壓源轉(zhuǎn)換為信號(hào)脈沖,最終傳輸?shù)娇刂破脚_(tái)上。控制平臺(tái)系統(tǒng)由操控芯片和可觸摸壓力感應(yīng)基地系統(tǒng)兩部分結(jié)構(gòu)組成。操控芯片由預(yù)先設(shè)計(jì)好電路結(jié)構(gòu)的印制電路板(PCB)和直徑為800mm的小銅微珠組成。PCB電路板尺寸為2.5cm×7cm,板內(nèi)設(shè)計(jì)出2×7個(gè)微型槽,每個(gè)槽的直徑為200mm。通過微焊接技術(shù)將小銅珠焊接在2×7個(gè)微型槽中。通過微焊接的每個(gè)小銅珠就與PCB電路板上的電路完成并聯(lián),電路板與電壓源相接。可觸摸壓力感應(yīng)基地系統(tǒng)是由兩部分組成,一部分(前端)為紙基地,一部分(后端)為可觸控壓力感應(yīng)膜如圖4-4所示。可觸控壓力感應(yīng)膜與信號(hào)轉(zhuǎn)換器連接,目的是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),信號(hào)轉(zhuǎn)換器另一端與可以接受電信號(hào)并且將不同電信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同音樂音符的音樂音響設(shè)備連接。這樣可觸摸壓力感應(yīng)基地系統(tǒng)就設(shè)計(jì)完成。操控芯片與壓力感應(yīng)基底系統(tǒng)之間的垂距離為2mm。鎵基液態(tài)金屬的三維運(yùn)動(dòng)被CCD攝像機(jī)記錄下來。操作芯片由2×7的微電極陣列組成,沿X軸分為7個(gè)部分,用“C5”到“B5”的音符編碼(圖4-5e)。

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圖4-4:可觸摸壓力感應(yīng)基地

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

當(dāng)我們?cè)谑謾C(jī)鋼琴系統(tǒng)中按下一個(gè)琴鍵,例如“C4”,該輸入指令就會(huì)通過手機(jī)傳輸?shù)街醒腚娔X中,中央電腦程序?qū)⒃撴I位的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),傳輸?shù)诫妷涸粗修D(zhuǎn)換為脈沖信號(hào),脈沖信號(hào)傳輸?shù)讲倏匦酒稀癈4”位置上方的前端的微電極上,這時(shí)微電極產(chǎn)生的局部電場(chǎng)指導(dǎo)其進(jìn)行原地三維運(yùn)動(dòng)。當(dāng)跳動(dòng)到2S時(shí),操控芯片上的延時(shí)電路使脈沖信號(hào)傳輸?shù)胶笠粋€(gè)微電極上,導(dǎo)致前一個(gè)微電極局部電場(chǎng)消失,后一個(gè)微電極上產(chǎn)生局部電場(chǎng)從而將馬達(dá)拉到后端微電極與可觸摸壓力感應(yīng)基底之間跳動(dòng)。可觸摸壓力感應(yīng)基底通過感應(yīng)馬達(dá)跳動(dòng)過程中對(duì)其底部產(chǎn)生的壓力來向信號(hào)轉(zhuǎn)化器傳輸壓力信號(hào),信號(hào)轉(zhuǎn)換器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為音樂音符的音響設(shè)備。音響設(shè)備就會(huì)發(fā)出我們輸入設(shè)備輸入的那個(gè)音符。就仿佛像是在我們操控鎵基金屬微型馬達(dá)在彈奏鋼琴。

安泰ATA-2082高壓放大器:

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圖:ATA-2082高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線,且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商,樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。

審核編輯:湯梓紅

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