石蜡热膨胀性能试验装置的研究

　　0　引　言

　　在微机电系统中,微驱动器作为可动部分,其动作范围的大小、动作效率的高低、动作的可靠性等指标决定了系统的成败,是微机电系统中最重要的环节。微驱动器最基本的工作原理是将其他能量(一般是电能)转换为机械能,实现这一转换的途径有静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动等。但它们很难兼顾作用力强和形变量大两者的统一,而热驱动的优势之一是克服了静电驱动和电磁驱动对距离有很大依赖的弱点,而且,作用力大^[1]。在常规机械中,由于热膨胀的速度很慢,热驱动方式基本不予以考虑。但是,在微型机械中,随着尺寸的缩小,热膨胀速度已经能够满足运行速度的要求。热驱动的问题在于最常用的是基于热膨胀效应,而一般固体材料的热膨胀系数较小,要让结构的热膨胀量有实用性,必须对结构作一些特别的设计,相应增加了系统的复杂性^[2]。国内外的研究人员发现,石蜡在其熔点温度附近具有很大的体膨胀系数。以石蜡作为热膨胀材料,热驱动有望成为微型机械的一种重要的驱动方式^{[3, 4]。}

　　为了实现石蜡热膨胀微驱动器,有必要研究石蜡热膨胀性能。在制作水浴加热石蜡热膨胀性能试验装置的基础上,通过试验,结果表明:石蜡在其熔点温度附近,试验中所用石蜡当温度从37℃升高到51℃时,其体膨胀系数可以达到甚至超过10%;而且,不同成分(C原子)比例的石蜡,其熔点温度变化范围为30~70℃,石蜡热膨胀驱动可以成为微型机械的一种重要的驱动方式,特别是在不允许有较大温度变化的环境中(如人体内)使用成为可能。

　　1　石蜡热膨胀性能试验装置

　　热膨胀试验装置的作用就是反映并记录随着温度的变化,石蜡体积发生变化而引起某一方向长度的微小变化。能否精确反映和记录温度以及微小位移的变化,是衡量热膨胀试验装置精度的主要指标。因此,采用性能好、精度高、抗干扰能力强的位移传感器是提高热膨胀试验装置性能的必要途径。关键在于选用合适的位移传感器,变模拟量为数字量,再对数字信号进行显示、记录等处理,以提高测量精度,减小误差。

　　石蜡热膨胀性能试验装置主要由加热系统、计算机数据采集系统、位移传感器、温度传感器和控制仪组成,如图1所示,温度传感器为T型热电偶WRTK—210,控制仪采用上润公司的智能数字/光柱数字控制仪WP—C801—80—05—N;位移测量采用导电塑料位移传感器WDM14,控制仪为WP—C801—80—18—N—P,均为RS—485通信接口。温控仪采用XMTD数显调节仪,与继电器、K型热电偶WRNT—02和500W加热电阻丝组成反馈控制系统,对水温进行恒值控制。石蜡位于内径9mm、外径12mm、长100mm的玻璃圆柱管内,玻璃缸水池的长250mm、宽80mm、高250mm。