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气动马达

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气动马达相关的论坛

  • 采用压力串级控制系统实现气动马达的精密调节

    采用压力串级控制系统实现气动马达的精密调节

    [color=#ff0000]摘要：气动马达作为一种将压缩空气的压力能转换为旋转机械能的装置，其运行的关键是要进行驱动气体压力的控制。本文介绍了目前气动马达压力控制装置的技术现状，特别指出了现有技术中使用电空变换器存在的不足，介绍了电空变换器的更新换代产品——电气比例阀。本文对这两种新旧技术进行了详细比较，新一代的电气比例阀技术更能满足今后气动马达对小型化、集成化、智能化、精细化、高寿命和高可靠性等方面的需求。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] 气动马达也称为风动马达，是指将压缩空气的压力能转换为旋转的机械能的装置。气动马达一般作为更复杂装置或机器的旋转动力源，它的作用相当于电动机或液压马达，即输出转矩以驱动机构作旋转运动。气动马达的主要特点有： （1）使用空气作为介质，无供应上的困难，用过的空气不需处理，放到大气中无污染 压缩空气可以集中供应，远距离输送。操纵方便，维护检修较容易。 （2）气马达具有结构简单，体积小，重量轻，马力大，操纵容易，维修方便。 （3）可以无级调速，只要控制进气阀或排气阀的开度，即控制压缩空气的流量，就能调节马达的输出功率和转速。即通过调节气源压力或者改变气流量，也可通过同时调节两者来实现。 （4）能够正转也能反转。大多数气马达只要简单地用操纵阀来改变马达进、排气方向，即能实现气马达输出轴的正转和反转，并且可以瞬时换向。在正反向转换时，冲击很小，而且不需卸负荷。 （5）工作安全，不受振动、高温、电磁、辐射等影响，适用于恶劣的工作环境，在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下均能正常工作。 从上述气动马达的特点可以看出，气动马达运行的关键是压力控制。目前气动马达常用的压力控制装置如图1所，其中主要包括电空变换器（E/P或V/P转换器）和增压器，由此构成压力的开环控制，通过电流或电压信号输入就可以进行气动马达的调节。[align=center][color=#ff0000][img=气动马达常用压力控制装置结构示意图,500,359]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211301217044251_5561_3221506_3.jpg!w690x496.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1 气动马达常用压力控制装置结构[/color][/align] 如果增加传感器（如旋转编码器）和PLC控制器，由此可构成闭环控制回路，传感器检测气动马达的转速等参量，PLC控制器通过检测传感器信号并与设定值比较可进行气动马达高精度的自动控制。另外，整个控制装置还可以通过增加双向阀来实现气动马达的正反转自动控制。 在图1所示的气动马达压力控制装置中，所用的电控变换器（电气转换器）是一种比较传统的压力调节装置，目前正逐渐被电气比例阀所代替。图2所示为这两种压力调节装置的对比。[align=center][color=#ff0000][img=电气比例阀和电气转换器比较表,690,520]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211301217340426_2793_3221506_3.jpg!w690x520.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2 电气比例阀和电气转换器特性对比表[/color][/align] 从上述对比可以看出，电气比例阀采用了更新的技术，与传统的电气转换器相比具有更优异的性能，电气比例阀正在快速对电气转换器形成升级替换，特别是随着电气比例阀的价格逐渐降低，已逐渐成为电气压力控制领域内主要产品。 另外，由于电气比例阀内置了压力传感器和PID控制器，为很多压力和流量控制应用场合提供了极其丰富的拓展应用，即采用电气比例阀可很方便的与其他物理量（如温度、位移、出力等）的探测和控制组成更复杂的串级控制回路，实现更多工业应用领域中的精密控制功能。 特别是采用电气比例阀与超高精度PID控制器结合形成的串级控制回路，可实现超高精度定位、超低速度运转和细小载荷的控制。[align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

  • 【转帖】分享国内液压与气动行业标准大全(目录)

    二、国家标准 GB/T786.1－1993（2001*）液压气动图形符号 eqvISO1219-1:1991 GB/T2346－2003流体传动系统及元件公称压力系列 ISO2944:2000，MOD GB/T2347－1980（1997）液压泵及马达公称排量系列 eqvISO3662:1976 GB/T2348－1993（2001*）液压气动系统及元件缸内径及活塞杆外径 neqISO3320:1987 GB/T2349－1980（1997）液压气动系统及元件缸活塞行程系列 eqvISO4393:1978 GB/T2350－1980（1997）液压气动系统及元件活塞杆螺纹型式和尺寸系列 eqvISO4395:1978 GB/T2351－1993液压气动系统用硬管外径和软管内径 neqISO4397:1978 GB/T2352—2003液压传动隔离式蓄能器压力和容积范围及特征量 ISO5596:1999,IDT GB/T2353.1－1994液压泵和马达安装法兰和轴伸的尺寸系列及标记 neqISO3019-2:1986第一部分：二孔和四孔法兰和轴伸 GB/T2353.2－1993（2001*）液压泵和马达安装法兰与轴伸的尺寸系列和标记(二) neqISO3019-3:1988多边形法兰(包括圆形法兰) GB/T2514－1993四油口板式液压方向控制阀安装面 eqvISO4401:1980 GB/T2877－1981二通插装式液压阀安装连接尺寸 GB/T2878－1993液压元件螺纹连接油口型式和尺寸 neqISO6149:1980 GB/T2879－1986液压缸活塞和活塞杆动密封沟槽型式、尺寸和公差 neqISO5597:1987 GB/T2880－1981液压缸活塞和活塞杆窄断面动密封沟槽尺寸系列和公差 GB/T3452.1－1992液压气动用O形橡胶密封圈尺寸系列及公差 neqISO3601-1:1988 GB/T3452.2－1987O形橡胶密封圈外观质量检验标准 GB/T3452.3－1988液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸和设计计算准则 neqISO/DIS3601-2 GB/T3766－2001液压系统通用技术条件 eqvISO4413:1998 GB/T6577－1986液压缸活塞用带支承环密封沟槽型式、尺寸和公差 neqISO6547:1981 GB/T6578－1986液压缸活塞杆用防尘圈沟槽型式、尺寸和公差 neqISO6195:1986 GB/T7932－2003气动系统通用技术条件 ISO4414:1998，IDT GB/T7934－1987二通插装式液压阀技术条件 GB/T7935－1987液压元件通用技术条件 neqNFPAT310.3 GB/T7936－1987液压泵、马达空载排量测定方法 neqISO/DP8426(1988版) GB/T7937－2002液压气动用管接头及其相关元件公称压力系列 neqISO4399:1995 GB/T7938－1987液压缸及气缸公称压力系列 neqISO3322:1975 GB/T7939－1987液压软管总成试验方法 neqISO6605:1986 GB/T7940.1－2001气动五气口气动方向控制阀第一部分：不带电气接头的安装面 idtISO5599-1:1989 GB/T7940.2－2001气动五气口气动方向控阀第二部分：带电气接头的安装面 idtISO5599-2:1990 GB/T7940.3－2001气动五气口气动方向控制阀第三部分功能识别编码体系 idtISO5599-3:1990 GB/T8098－2003液压传动带补偿的流量控制阀安装面 ISO6263：1997，MOD GB/T8099－1987液压叠加阀安装面 neqISO4401-1980 GB/T8100－1987板式联接液压压力控制阀（不包括溢流阀）、顺序阀、 neqISO/DIS5781(1987)卸荷阀、节流阀和单向阀安装面 GB/T8101－2002液压溢流阀安装面 ISO6264:1998，MOD GB/T8102－1987缸内径8～25mm的单杆气缸安装尺寸 neqISO6432:1985 GB/T8104－1987流量控制阀试验方法 neqISO/DIS6403(1988) GB/T8105－1987压力控制阀试验方法 neqISO/DIS6403(1988) GB/T8106－1987方向控制阀试验方法

  • 【讨论】ICP的马达归零

    我使用的是LEEMAN公司的ICP等离子光谱仪。在使用过程中发现有时候因为马达归零没有归好而导致灵敏度降低。测试之前我用Hg灯拍过片，它的强度是正常的就开始做曲线，发现曲线的强度很低，后来才发现是马达的位置的原因。请问各位大侠：这是什么原因导致的？我是正常关机的！

  • 冷却水机马达转动不了

    我们实验室的ICP已经使用了9年的时间了，前段时间冷却水机制冷不了，打开冷却水机的外盖，发现马达没有转动。报修后，公司维修部上门来确认，发现是连接马达的电容烧坏了，维修部找了其它参数相同的电容换上后，仪器正常。

  • 分体式LCD显示马达控制与保护单元

    摘 要：文中通过对LCD、LED实际使用中各自的特点进行分析比较，说明LCD显示马达控制与保护单元在实际应用中的优势。并介绍ARD3新一代LCD显示马达控制与保护单元的设计思路、实际应用、产品性能指标、安装方式。关键词：马达保护与控制装置；ARD30　 引言　　伴随着电子式电动机保护器的大力推广及应用，客户对这种新式的电子式保护装置的应用更加熟悉，同时也对产品的使用提出了更高要求，尤其是参数设定、故障查询等人机交互方面。1　 分体LCD显示方案的提出 　　前一代ARD3电动机保护器分为一体式、分体72F、分体90F，都采用LED（数码管，以下都以LED代表数码管）显示方式。在现场应用中LED显示方式亮度高，即使在光线不好的地方也可以达到一目了然的效果，使用寿命长，产品价格便宜。　　与之相比LCD（液晶，以下都以LCD代表液晶）显示亮度不够，在产品附近才有比较好的显示效果，观看角度不同效果不同，和我们使用笔记本电脑时，显示屏旋转角度不同亮度不同一样。LCD产品价格较LED要高出较多。　　但LCD一次性可显示数据量较LED多，尤其采用中文显示时，在国内使用中优势更加明显。客户在对前一代LED显示ARD3进行参数设计、故障查询上时，多要借助说明书（LED显示ARD3菜单项共有53项，故障代码21项），这样给客户现场实际应用带来了一定的麻烦。为了让客户应用更加方便，LCD显示产品应运而生。2　 分体LCD显示与前一代LED显示相比所具有的优势2.1 测量参数、故障记录显示　　ARD3可测量三相电流、三相电压、剩余电流、功率、功率因数、频率等电参量，LED显示要借助面板上的发光二极管来确定现在显示的是哪种电参量，很不直观，而且还有很多信息无法显示，例如：开关量状态、故障记录等内容。　　LCD显示很好的解决了上述问题，采用128×64点阵式LCD，一屏中可以有4行数据显示，带有中文说明，不用再借助面板上发光二极管来表示具体参数。各种菜单项、开光量状态、故障记录、运行参数等信息都已中文形式在显示面板上显示出来，方便客户参数、故障查询、日常维护。LCD可显示的故障记录数据时包括：本次电机运行时间、停车具体时间、故障原因、停车时的各种电参量（三相电流、三相电压、剩余电流等）。2.2 各种保护功能参数设置　　ARD3具有过载、断相、堵转、阻塞、不平衡、欠载、剩余电流、起动超时、过压、欠压、相序、欠功率等保护功能。实际使用中，这些保护功能不一定全部打开，在保护参数设置时，LED产品需要经过一步二进制到十进制转化的过程，现场操作人员对这种设置方法不是十分适应。　　LCD显示将各种保护功能使用中文排列好，需要对哪种保护功能进行设置时，直接查找到对应项进入设置即可，在很大程度上方便了客户的使用。2.3 控制方面　　原LED显示产品，在显示面板上没有起、停操作按钮，客户只能通过开关量输入信号来完成起、停操作。LCD显示产品，在显示面板上自带起动、停车按钮，客户可以在不安装其它按钮的情况下，通过LCD显示面板完成电机起、停操作，从而节省大量元器件和布线工作。2.4 其他改进方面　　分体式LCD显示部分和ARD3主体部分采用航空接口连接，连接紧靠；使用RS485电平进行连接，增强了产品的抗干扰性和传输距离；将各种起动方式归纳在一起，客户在现场使用时可以自行更改；面板增加了停车、起动、运行、报警、脱扣指示灯，更贴近于客户实际使用的需要。新一代分体LCD显示ARD3实物图如图1所示。http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/16/155431bn.jpg图1　分体LCD显示ARD3实物图3　 分体LCD显示ARD3产品特点、技术指标介绍3.1 产品特点　　■ 显示模块采用嵌入式安装，模块尺寸为90×70，开孔86×66（单位mm），主体采用导轨安装。　　■ 辅助电源支持AC/DC 110/220V，AC 380V。　　■ 测量功能分为基本测量（电流参数）和增选测量（电压、功率、相序、剩余电流（接地/漏电流））。　　■ 具有过载、堵转、阻塞、欠载、断相、不平衡、剩余电流（接地/漏电）、温度、外部故障、相序、过压、欠压、欠功率、tE时间等全面的电动机综合保护功能。　　■ 8路DI无源干节点输入，信号电源采用内置DC24V电源。　　■ 4路DO输出，满足直接起动，星—三角起动，自耦变压器起动，软起动等多种起动方式，通过通讯总线可实现远程主站对电动机进行实时遥控“起/停”操作。　　■ 抗晃电确保电动机运行不间断，重起动功能在短时欠压、失压时用于电动机分批重起。　　■ 具有标准的RS-485通讯接口，采用Modbus- RTU通讯协议，保证了上位机通讯的快速可靠。　　■ 具有DC4-20mA模拟量输出接口，直接与DCS系统相接，可实现对现场设备的监控。　　■ 具有系统时钟和8次故障记录功能，系统时钟记录当前时间（年、月、日、时、分、秒）；故障记录功能记录电动机发生故障的时间，总的运行时间，故障原因，发生故障时电动机的各种参数值（如三相电流、三相电压、剩余电流、功率因数、热容比、电机状态等）。 3.2 技术指标　　技术指标如表1所示。表1　技术指标技术参数技术指标辅助电源AC/DC 110 / 220V，AC 380V，功耗15VA电机额定工作电压AC220V / 380V / 660V，50Hz / 60Hz电动机额定工作电流2（0.40A-2.00A）采用小型专用电流互感器检测模块6.3（1.6A-6.3A）25（6.3A-25A）100（25A-100A）250（63A-250A）采用外置电流互感器800（250A-800A）继电器输出触点容量阻性负载AC220V、6A；DC24V、6A ;感性负载AC250V、2A；DC24V、2A ;开关量输入干节点（内置DC24V）通讯RS485 Modbus-RTU协议环境工作温度-10ºC～55ºC贮存温度-25ºC～70ºC相对湿度≤95﹪不结露，无腐蚀性气体海拔≤2000m污染等级2级防护等级主体IP20，LCD显示模块IP45（安装在柜体面板时）安装类别III级3.3 过载保护　　过载保护是现场是用中最重要的保护之一，用到电机的场所几乎都开启此类保护。ARD3采用热模型保护原理，模拟电机实际发热情况进行过载保护。ARD3共有8条过载保护曲线供客户选用，其中曲线5、10、30分别相当于热继电器的10A、10、30脱扣级线。过载特征曲线图（K曲线图）如图2所示，过载保护对照表如表2所示。http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/16/155927uc.jpg图2　过载特征曲线图表2　过载保护对照表http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/16/161744dl.jpg 4　 结束语　　通过本文的介绍，可以看出

  • 【原创大赛】PE顶空加热炉马达维修

    【原创大赛】PE顶空加热炉马达维修

    PE顶空加热炉马达维修仪器型号：TurboMatrix HS 40故障现象：自检过程中提示加热炉马达停转。见下图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/12/201312232117_484210_1620415_3.jpg故障分析：自检过程中可以看到马达转动，当升降杆升起后马达停止转动，先是怀疑升降杆卡住马达所致，重新校准加热炉后，故障依旧。应当是加热炉位置识别出现错误所致，原来处理过针马达的故障，确定是加热炉马达的编码器积尘，只需清洁编码器即可。故障处理：取下顶空的外壳，拆下加热炉马达上盖，找到加热炉马达，马达上有一个黑色的盖子，盖子上有一白色带孔的圆垫。见下图：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/12/201312232117_484211_1620415_3.jpg小心从底部起下黑色的盖子，下面是电路板，电路板上有一个排线，将排线拔出，拆下电路板上的两个小螺丝，拉开侧面的一个卡子，见下图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/12/201312232117_484212_1620415_3.jpg将电路板小心向上提起少许，卡子一侧有两条焊接的金属线，不要弄断。将电路板向金属线一侧掀起，可以看到下面的编码盘和电路板上的读码器，见下图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/12/201312232118_484213_1620415_3.jpg可以看到编码盘上全是灰尘，已经看不清号码了。用脱脂棉蘸少许无水乙醇，将编码盘和读码器上的灰尘擦拭干净，下图是擦后的脱酯棉。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/12/201312232118_484215_1620415_3.jpg将电路板下压复原，向内推入卡子，上紧两个螺丝，插入排线，盖好盖子，为防止灰尘的污染，在盖子上的小孔处贴一个透明胶带，如图一。开机进入系统维护界面，对马达进行校准。用一面小镜子在瓶入口处检查炉盘位置，使用炉盘与瓶入口正对，重启系统保存设置。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/12/201312232220_484222_1620415_3.jpg开机进入操作界面，系统自检正常。见下图。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/12/201312232118_484216_1620415_3.jpg总结： 冬季北方天气干燥，加之近期雾霾严重，对仪器的光电传感器及编码器容易造成污染，使仪器故障高发。马达上方有一个小孔，增加了污染的风险，小孔不知是作什么用的，这次维护后将小孔用透明胶封住了，有知道留孔原因的请回复。

  • 【原创大赛】转动马达故障维修

    【原创大赛】转动马达故障维修

    仪器背景：JEOL6360LV仪器，照片先上，看有谁能猜出这个是扫描电镜什么地方的东东。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/12/201112191839_339484_1608025_3.jpg用手机拍的，技术还不错吧，谁叫我们大家都是专业摄影师呢，大家说吧。再来一张，把镜头拉近点。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/12/201112191841_339485_1608025_3.jpg再近点。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/12/201112191841_339486_1608025_3.jpg你看他脏吗？http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/12/201112191842_339487_1608025_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/12/201112191843_339488_1608025_3.jpg看了那么多照片，应该知道是什么地方的部件了吧，如果还不知道，给个全身的。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/12/201112191844_339489_1608025_3.jpg这个图左边是一个马达，他转动时带动中间这个有螺纹的轴旋转，右边这个由于不跟着旋转而被推动，向前或向后运动，这样来移动样品台的。明天我再把里面的结构图拍来更为直观。现在回放，原来是仪器在使用中发现转动的时候有唧唧……的声音，怀疑是马达不好了，咨询工程师后，证实判断是正确的，但这个东西我们从来没接触过，而且听说这马达链接的轴需要一种油，而这种油是有点特别，要求这种油在高真空的时候不容易挥发，否则在扫描电镜在高真空拍摄时挥发出来，腔内充满油会是什么现象，大家可以想像会是什么情况。所以我们就只好请工程师上门来做一次仪器维护了，价格也不菲。操作是这样的：仪器真空放掉后，把马达外面的螺母松掉，再把马达取出来，用这种油润湿后，把轴取出来，然后用棉线把这些铁屑擦拭掉，注意不要把轴摩花了，只需要把铁屑清除干净就好了，然后再用所谓的润滑油润湿，使轴和上面的那个管状的配件能够轻松的移动和转动。再把轴装上去，把马达装上仪器，试机，不再出现唧唧摩擦的声音了。故障就这样解决了。这是一个脏活，也是个精细活。

  • 安捷伦 马达驱动阀

    安捷伦 1200sl 二元泵，今天开机的时候purge是，流速为1ml/min时是正常的，流速设置为3ml/min时泵报错“电源失败 马达驱动阀”，想请问一下是怎么样的状况啊，感请各位高手指点迷津啊

  • 赛默飞U3000老是报错马达电流太大

    昨天同事使用的时候流速调太大，一开机就报警，接两通压力直接超限制自动停机，早上把单向阀超过一遍，现在是报错马达电流过大[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005061103532378_536_3997772_3.png[/img]

  • 【原创大赛】waters 2695脱气马达维修心得

    【原创大赛】waters 2695脱气马达维修心得

    waters 2695脱气马达维修的一次体会前两天，仪器声音特别大，脱气机显示故障，不能正常使用，如处于“degas on”位置，则声音特大。经咨询确认为脱气机马达故障。自己动手拆卸如下：打开侧板面板，将脱气机“载板”-暂如此称呼，从侧面拉出，从后部松动螺丝拆卸。本次本人走了弯路，从前面将混合器，脱气包拆卸，结果耗时较长，后观察到直接从后部位拆卸较简单。切记：记下螺丝对应位置，放置装错。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/12/201112081027_336555_2961690_3.jpg装入新马达，如原来马达转轴有锈迹，则请先去锈后再用高级润滑油滴加，使其可顺畅转动，否则，需要更换新的马达。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/12/201112081027_336556_2961690_3.jpg安装时，管子不要差错，请记住原来管子接的位置。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/12/201112081028_336557_2961690_3.jpg另，因操作空间小，不要用蛮力拉扯管线，防止出现新的故障。另，后部有些插线因为连接较紧，无必要也不要将其拔下。因卡扣紧而将插针拔断或损坏插槽。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/12/201112081028_336558_2961690_3.jpg接线也应插入正确位置。

  • 马达西奇公司(Motor Sich)的收购

    马达西奇公司(Motor Sich)的收购案获得了乌克兰反垄断部门的批准，这家世界最重要的飞机发动机生产工厂之一的厂家最终由中国公司北京天骄航空产业投资有限公司(Beijing Skyrizon Aviation)和信威集团(Xinwei Group)取得了控制权。

  • 【液相色谱之家】安捷伦1200马达驱动出异常

    【液相色谱之家】安捷伦1200马达驱动出异常

    【液相色谱之家】安捷伦1200泵马达驱动 来自群友：农药-NPS-小路 马达驱动，图片两张，做个分享，分析图片，有什么异常？http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/03/201603022050_585771_2960432_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/03/201603022050_585772_2960432_3.jpg

  • 液相色谱泵马达的维护，上岛津10AT泵图

    液相色谱泵马达的维护，上岛津10AT泵图

    液相色谱泵马达在未发现有明显的工作异常时，你觉得有必要进行定期维护吗，如除尘、上油、更换传送皮带等？你见过液相色谱泵的马达吗？岛津10AT泵照片，上油上在什么位置？左侧照http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/01/201201161857_345972_1638724_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/01/201201161858_345973_1638724_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/01/201201161900_345974_1638724_3.jpg

  • 安捷伦G1888顶空盘马达故障报警？

    最近G1888的顶空加热过程中，仪器经常出现“盘马达错误，异步错误1”的故障报警，顶空瓶停留在进样结束后无法返回的状态。顶空重启后，仪器自检每个孔位正常，故障消失。请问哪位碰到过，是何原因

  • 布鲁克D8 Advance“马达故障”报警

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    浅读IBM Research–Zurich最新力作——纳流控摇摆布朗马达

    2018年3月，世界知名的科研团队IBM Research-Zurich于 Science 杂志发表了最新力作：Nanofluidic rocking Brownian motors。IBM Research-Zurich原名为IBM Zurich Research Laboratory，曾因重大发明成果在1986年和1987年获得过诺贝尔物理学奖，为大家所熟知。今天，我们带着原文一同品味纳流控摇摆布朗马达的科学探索。[b]浅读纳流控摇摆布朗马达[/b] 大多数物质间的相互作用机制会在物质尺度小至纳米量级时产生不利的缩放效应，因此，在流体中控制、输运纳米尺度的物体是一个巨大的挑战。通过精确控制纳流控器件中狭缝结构的几何参数，同时利用类带电粒子与纳流控器件中墙面结构间的静电作用，M. J. Skaug等人设计了针对纳米颗粒的能级图谱。他们通过将非对称势垒与振荡电磁场结合，获得了一种摇摆布朗马达，从而可以对纳流体中的纳米颗粒的定向输运进行调控。Skaug分析了此种分子马达的物理机制，与理论模型进行对比后，基于分子马达成功制备了一种分类器件。这种器件可以在几秒钟的时间内使两种不同粒径的纳米颗粒（直径分别为60 nm和100 nm）在器件中沿着相反方向运动，从而实现对两种颗粒的分离。后续的模拟分析结果证明：这种新型器件可以有效区分粒径差异在1 nm量级的不同纳米颗粒。 除了在材料、环境科学领域（尺寸分析、过滤、单分散制备）具有应用潜力外，能够对纳米尺度颗粒进行尺寸选择性输运、收集的芯片实验室器件，在床边检测及生化领域（如分子分离、预浓缩）的应用亦被寄予希望。以探测流体中的低浓度物质为例，通过在探测器中引入定向输运机制，可以将浓度极低的被探测物质输运至探测器中的感应区域，并使被探测物质形成集聚，从而克服传统探测方法中存在的各类技术限制，实现对低浓度物质的有效探测。受到生物学中分子马达的启发，Magnasco和Prost等人曾经提出利用人造布朗马达来实现类似的颗粒输运功能，这种布朗马达的物理机制是基于非对称势垒以及非平衡力的调控。前人的实验中，主要都是集中在“闪烁棘轮”型的布朗马达，它是利用周期性非对称势垒以及各向同性扩散机制来实现微米尺度颗粒的定向输运的。在这种布朗马达中，通常是利用外加光场或介电泳产生的力学作用来获得所需的势垒，所以势垒的作用效果会随颗粒尺寸缩小而减弱，因此这类马达很难满足纳米尺度实验的需求。 闪烁棘轮型布朗马达中的颗粒扩散效应依赖于颗粒的尺寸，研究人员对这类马达在颗粒分类方面的应用潜力进行了探究。然而，与连续层式流动器件的情况相似，利用外加力来替代扩散作用会使得尺寸的区分能力变差。摇摆型布朗马达则利用零平均外加力和静态势垒产生直接的定向颗粒运动。这类布朗马达的输运特性与其所传输颗粒的扩散特性，二者之间表现出了一种极其显著的非线性依赖关系，这对纳米颗粒的区分、分离来说具有重要的意义和应用潜力。然而，对于纳米尺度的颗粒来说，如何创造一个能量足够强的静态势垒是一个挑战。 静电俘获可以有效解决这一挑战，具体思路是将类带电颗粒限制在均匀带电的表面之间。在其中一个表面上制备一个凹陷的几何结构，可以降低此处局部的颗粒-表面相互作用能量，从而定义一个侧向的俘获势垒。约束颗粒的能量大约在几个kBT的量级（其中kB是玻尔兹曼常数，T是绝对温度），可以稳定地俘获多种带电颗粒，比如金纳米球与纳米棒（粒径在十几至一百多纳米左右）、囊泡（五十纳米左右）、DNA寡核苷酸（含有十几至六十几个碱基）、蛋白质分子（分子量在十几kDa）。 Skaug等人扩展了利用几何结构诱导静电俘获的思路，以三维结构取代此前简单的二维凹陷结构，从而创造了针对纳米颗粒的复杂二维能级图景。三维结构的构筑是通过利用热扫描探针光刻方法获得的，这种方法在纵向的图形控制精度可以达到纳米量级。[align=center][img=,500,306]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/07/201807311347510856_9222_981_3.jpg!w690x423.jpg[/img] [/align][align=center]图1 利用热扫描探针光刻技术制备纳流控布朗马达、定义棘齿形貌：[/align][align=center]（A）纳流控器件中的狭缝截面示意图及俯瞰图；[/align][align=center]（B）形貌图像；[/align][align=center]（C）图（B）中的圆环状棘齿结构的放大形貌图；[/align][align=center]（D）图（B）中白线标识区域的剖面轮廓图，即棘齿台阶轮廓图；[/align][align=center]（E）被俘获纳米颗粒的光学图像。[/align][align=center][/align][align=center][img=,500,379]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/07/201807311348456748_522_981_3.jpg!w690x524.jpg[/img] [/align][align=center]图2 实验测量的平均势垒的决定因素：[/align][align=center]（A）四种图形化棘齿的形貌图以及三种控制场的示意图；[/align][align=center]（B）棘齿单元的轮廓示意图；[/align][align=center]（C）棘齿限制的纳米颗粒的能量曲线（平均实验数据与有限元模拟数据对比）；[/align][align=center]（D）九种不同间隙距离的棘齿的能量势垒曲线对比；[/align][align=center]（E）由因子α确定的棘齿能量势垒通用曲线。[/align][align=center][/align][align=center][img=,500,341]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/07/201807311349216951_1045_981_3.jpg!w690x471.jpg[/img] [/align][align=center]图3 粒径60 nm与粒径100 nm的金颗粒的分类：[/align][align=center]（A）分类器件的形貌图像；[/align][align=center]（B）图（A）白色虚线框内区域的放大图；[/align][align=center]（C）上图：金颗粒分类原理简图；下图：相应的静态能量曲线（实现为测量值、虚线为模拟值）；[/align][align=center]（D）金颗粒在分类器件中不同时刻的光学图像；[/align][align=center]（E）颗粒的空间分布图像；[/align][align=center]（F）模拟得到的颗粒漂移与粒径的函数关系。[/align] 通过一系列的测试以及相应的理论计算、模拟，Skaug等人展示了在水平表面与带有三维图形修饰的表面之间的电泳可以有效限制纳米颗粒，从而创造一个可以由几何形貌结构定义的、针对纳米颗粒的能量图景。通过精确调节表面之间的间隙，一阶俘获势垒可以简单地按比例缩放，从而提供了一种可以用于优化系统的有效手段。在实验当中，所有与模拟纳流控系统有关的必要物理量都可以原位获取。实验与理论的一致性，证明了对文中系统工作机制的解释以及对系统特性的预测的可靠性。摇摆布朗马达输运特性的非线性特性以及静电作用的非线性特性，是文中器件实现对纳米颗粒高效分离的物理基础。 更进一步，基于文中的模拟分析以及Ruggeri等人关于颗粒俘获研究的结果，Skaug等人预测可以通过比例缩放的手段，将文章中的方法应用于对生物小分子的分离、分类。与基于流动的分离机制相反，采用摇摆布朗马达可以实现纳米颗粒的选择性输运、精确分离、集聚，且不需要电泳净流或热力学梯度这类条件。通过将更小的棘齿形貌参数与更低的外加电场相结合，这类器件将非常适合应用于针对芯片实验室中少量液体的高精度成分分析。 参考文献：Nanofluidic rocking Brownian motors, Skaug et al., Science 359, 1505-1508 (2018)

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