基于磁流变液的微致动器模型分析与研究.pdf

苏永清等：基于磁流变液的微致动器模型分析与研究 基于磁流变液的微致动器模型分析与研究‘ 苏永清，岳继光 (同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系，上海201804) 摘 要： 磁流变液的驱动与控制在微观和宏观流体 (a)致动器原理示意图(改变磁场H2大小) 的驱动与控制有很大的不同，在微观条件下驱动与控 制技术更为复杂和多样化，本文将在宏观模型的基础 上分析研究磁流变体在微观状态下流体驱动中的关键 技术，指出影响微观状态下系统控制特性的主要因素， 探索磁性微流变体应用于微致动器的理论基础。 关键词： 磁流变液；微致动器；尺度效应 中图分类号： TB381；THl379；0361．3 文献标识码：A 文章编号：1001—9731(2006)06一0997一02 1 引 言 微米乃至纳米尺度构件中流体的驱动和控制是微 机电系统(MEMS)发展需要解决的关键技术之一，它 图1 微致动器结构示意图 在微型传感器、微型致动器等微流体器件、微小机器人 1 Schematicofmicro—actuator Fig diagram 的驱动等场合中均有着广泛的应用，而近几年生物芯 2．1 平板缝隙式流量一磁场模型 片技术的进步和“Lab—on—a—chip”概念的提出更是迫切磁流变液在磁场作用下改变其流变特性，在没有 要求实现微量流体的自动、精确的驱动和控制，微流体 磁场作用时，磁流变液表现为牛顿流体特性，其剪应变 的驱动和控制技术的研究逐渐成为MEMS研究的热 和剪应力成正比。在外加磁场作用时，磁流变体表现 点。 为Bingham特性，即： 作为MEMS的一个组成部分，微流动系统具有尺 ry—ry(H)+∥ (1) 寸小，输出功率大，响应速度快等特点，因此有着广阔 式中r，为磁流变体的全部屈服强度，r，。H，是由磁 的应用前景，磁流变体在兼顾流体传动优点的基础上 场引起的屈服强度，刁为磁流变体的粘度，)，为剪应变。 增加了电磁可控特性，可以弥补流体在微机电系统中 难以进行精确控制的缺点口]。因此有必要研究磁流变 △p：堕擎+毕 (2) 体在微观状态下流体驱动中的流体特性、控制特性，以 便在微观状态下实现高精度的指标。 Q一紫一等 (3) 式中L为活塞长度；D为缸体内径；^为活塞与缸 2 系统宏观建模 体间的间隙；Q为流过缸体间隙的流体的体积流速。 微致动器的模型如图l所示，致动器关键部分是 2．2 阀的模型 虚线框内微阀的结构，它由4个管道和两个可控电磁 四边滑阀控制缸从原理来讲，是两对节流口组成 场组成，当磁场H，强度最大时，其作用的两个管道内 的桥式结构。由于它的桥式结构，使得它比双边式或 磁流体阻力最大，即q，和q。流量为零，此时改变磁场 单边式滑阀有着更好的控制性能。在电流变液阀控系 统中，我们也可以构想用电流变阀组成桥式结构的控 Hz大小可以调整其作用的管道内液体阻力(q。和q4 流量)，改变流进液压缸两腔压力，使活塞向右移动，实 制方式，即用4个电流