實驗名稱：電流體噴印實驗觀測平臺

測試設備：ATA-7030高壓放大器、函數發生器、示波器、高速相機、激光光源控制器、激光光源、電腦等。

實驗過程：

圖1：錐射流觀測平臺：（a）實驗臺架和（b）主要實驗設備。其中1是高速相機，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是函數發生器，9是示波器，10是XY移動平臺，11是電腦控制系統。1、2、5和6組成高速相機觀測系統，7、8和9組成高電壓產生系統

電流體噴印實驗平臺裝置如圖1（a）所示，主要功能模塊包括高電壓產生系統、高速相機觀測系統、流量驅動系統和平臺移動控制系統。實驗中的墨液通過注射器的注入，注射器與執行機構固定，由微泵驅動，如圖1（b）中3。注射器推進速度可以通過設置微泵控制器注入流量來改變，最小流量可達138nL/min。注射器可方便更換20~30G不銹鋼針頭，針頭通過鱷魚夾外接高壓放大器的正極。高壓放大器和函數發生器、示波器組成高電壓系統，如圖2.7（b）中7、8和9。該系統函數發生器產生任意波形信號輸入到高壓放大器，高壓放大器僅放大電壓信號，不放大頻率。函數發生器產生交流脈沖的最大頻率可達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±3kV。放大后的電壓通過示波器進行測量，示波器測量的電壓是其輸入電壓的1/1000。高電壓系統的三個儀器均可連接電腦，通過LabVIEW開發的控制軟件進行統一操控。注射器連同執行機構一起固定在并列的兩個FSL40直線導軌絲桿滑臺模組上，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。注射器正下方是樹脂基板，基板上放置光滑不銹鋼薄片，不銹鋼薄片通過鱷魚夾連接高壓放大器的負極。不銹鋼薄片上緊貼透明絕緣膠布，防止實驗過程中正負極相接。基板位于X-Y軸移動平臺上，該移動平臺由兩個28號微型步進電機垂直布置組成，電機由24V開關電源供電。電機的控制端連結電腦，通過電腦上的微軟基礎類庫開發的軟件設置運行速度，最小速度可達25μm/s。注射器針頭針尖水平位置布置有高速相機觀測系統，由圖1（b）中的1、2和4組成。高速相機捕捉畫面達200萬像素，在全畫幅下幀率最高達3000fps。顯微放大鏡頭用于放大圖像，最大放大倍數可達4倍。激光光源提供高強度光照，能夠在10000幀小畫幅下提供充足照明。

實驗結果：

圖2：射流斷裂觀測平臺：（a）主要實驗設備和（b）針-圓筒式同軸電極結構。其中1是流量驅動系統，2是高電壓系統，3是高速相機，4是圓筒電極，5是LED光源，6是電腦，7是廢液接收器；紅色和黑色實線分別是正極和負極線，綠色虛線是連接電腦線路

為了觀測射流斷裂過程，圖2展示了同軸帶電射流的實驗裝置。在一般的電流體噴印實驗中，錐射流射流部分的直徑遠小于噴嘴內徑，對于27G的針頭，其射流直徑不超過10μm。目前即使最先進的高速相機也捕捉不到如此細的射流界面的變化。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，不產生泰勒錐，射流的半徑在100μm左右。同時射流包裹有透明導電電極，用于產生徑向電場，如圖2（a）中4所示。在射流斷裂實驗中，保持相關的無量綱和電流體噴印中接近，這類似于風洞實驗中的相似原理。實驗裝置主要包括電射流產生模塊和高速相機觀測模塊。在電射流產生模塊，射流由注射泵驅動，通過針電極噴射出，再經過同軸電極。這種模塊也被稱為針-圓筒式電極結構。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。高速相機用于捕捉斷裂過程，最高幀率可達2×104fps，能夠捕捉到接近斷裂時刻界面特征。

高壓放大器推薦：ATA-7030

圖：ATA-7030高壓放大器指標參數

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審核編輯 黃宇