安泰ATA-7030高压放大器在电流体喷印实验系统中的应用

实验名称：电流体喷印实验观测平台

测试设备：ATA-7030高压放大器、函数发生器、示波器、高速相机、激光光源控制器、激光光源、电脑等。

实验过程：

图1：锥射流观测平台：（a）实验台架和（b）主要实验设备。其中1是高速相机，2是显微放大镜头，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是高压放大器，8是函数发生器，9是示波器，10是XY移动平台，11是电脑控制系统。1、2、5和6组成高速相机观测系统，7、8和9组成高电压产生系统

电流体喷印实验平台装置如图1（a）所示，主要功能模块包括高电压产生系统、高速相机观测系统、流量驱动系统和平台移动控制系统。实验中的墨液通过注射器的注入，注射器与执行机构固定，由微泵驱动，如图1（b）中3。注射器推进速度可以通过设置微泵控制器注入流量来改变，最小流量可达138nL/min。注射器可方便更换20~30G不锈钢针头，针头通过鳄鱼夹外接高压放大器的正极。高压放大器和函数发生器、示波器组成高电压系统，如图2.7（b）中7、8和9。该系统函数发生器产生任意波形信号输入到高压放大器，高压放大器仅放大电压信号，不放大频率。函数发生器产生交流脉冲的最大频率可达25MHz，高压放大器在波形不失真的情况下最高放大的电压不超过±3kV。放大后的电压通过示波器进行测量，示波器测量的电压是其输入电压的1/1000。高电压系统的三个仪器均可连接电脑，通过LabVIEW开发的控制软件进行统一操控。注射器连同执行机构一起固定在并列的两个FSL40直线导轨丝杆滑台模组上，该模组能够丝杠能以最小1mm/s的速度升降，即图1（a）中的Z轴升降台。注射器正下方是树脂基板，基板上放置光滑不锈钢薄片，不锈钢薄片通过鳄鱼夹连接高压放大器的负极。不锈钢薄片上紧贴透明绝缘胶布，防止实验过程中正负极相接。基板位于X-Y轴移动平台上，该移动平台由两个28号微型步进电机垂直布置组成，电机由24V开关电源供电。电机的控制端连结电脑，通过电脑上的微软基础类库开发的软件设置运行速度，最小速度可达25μm/s。注射器针头针尖水平位置布置有高速相机观测系统，由图1（b）中的1、2和4组成。高速相机捕捉画面达200万像素，在全画幅下帧率最高达3000fps。显微放大镜头用于放大图像，最大放大倍数可达4倍。激光光源提供高强度光照，能够在10000帧小画幅下提供充足照明。

实验结果：

图2：射流断裂观测平台：（a）主要实验设备和（b）针-圆筒式同轴电极结构。其中1是流量驱动系统，2是高电压系统，3是高速相机，4是圆筒电极，5是LED光源，6是电脑，7是废液接收器；红色和黑色实线分别是正极和负极线，绿色虚线是连接电脑线路

为了观测射流断裂过程，图2展示了同轴带电射流的实验装置。在一般的电流体喷印实验中，锥射流射流部分的直径远小于喷嘴内径，对于27G的针头，其射流直径不超过10μm。目前即使最先进的高速相机也捕捉不到如此细的射流界面的变化。因此下图中的同轴带电射流装置，射流直接从针头挤压而出，不产生泰勒锥，射流的半径在100μm左右。同时射流包裹有透明导电电极，用于产生径向电场，如图2（a）中4所示。在射流断裂实验中，保持相关的无量纲和电流体喷印中接近，这类似于风洞实验中的相似原理。实验装置主要包括电射流产生模块和高速相机观测模块。在电射流产生模块，射流由注射泵驱动，通过针电极喷射出，再经过同轴电极。这种模块也被称为针-圆筒式电极结构。其中针电极施加直流电压，同轴电极接地。射流最终断裂的液滴被接收器所接收。高速相机用于捕捉断裂过程，最高帧率可达2×104fps，能够捕捉到接近断裂时刻界面特征。

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图：ATA-7030高压放大器指标参数

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审核编辑 黄宇