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轮式阀微型压电泵的设计理论及试验研究

刘勇  
【摘要】:微型压电泵的研究和发展已有三十多年的历史,随着新材料、新工艺的出现,压电泵的体积不断缩小、输出性能不断提高。近年来,部分微型压电泵已经开始产品化,并逐步地进入生物医药、精细化工、民用消费等各个领域,有着广泛的应用前景。然而,便携式微机电设备的蓬勃发展对微型压电泵产品提出了新的要求,特别是功耗、效率和寿命等。从国内外研究现状来看,微型压电泵的研究重心尚在结构的创新和输出性能的提升上,深入并系统地探讨微型压电泵工作原理、工作特性及其设计理论的研究并不多见。由于缺乏完善的理论指导,目前已形成产品的微型压电泵普遍功耗偏大,效率偏低。 本文结合国家高技术研究发展计划(863)项目“血糖检测与胰岛素注射微系统”(NO.2011AA040406)的技术要求,在微型化的前提下,通过对压电泵各部件及其系统工作原理和特性的分析,探明影响压电泵性能、功耗和效率的内在因素,为开发满足便携式微流体控制设备的微型压电泵产品提供理论与技术支撑。 压电振子是压电泵的动力元件,决定了压电泵的极限输出性能。而压电振子的驱动能力又由压电陶瓷决定,故压电陶瓷材料的选择十分重要。论文第二章通过比较各类压电陶瓷材料的电学特性和机械特性,决定选用兼有高耦合系数和高压电常数低功耗、大振幅的PZT5材料。有关圆形压电振子(以下简称压电振子)结构参数匹配和优化的理论计算方法已经比较成型,但由于计算过程涉及的参数过多,故实际应用困难。本文引入压电振子等效集中力的概念,将其直接与压电振子的输出力对应,并通过理论计算分别证明了压电振子中心点位移、等效集中力与驱动电压之间的线性关系,最终导出等效集中力与驱动电压的计算公式。利用压电振子中心点位移和等效集中力分别导出了压电泵极限流量及极限压力的表达式,并进一步得到了压电泵极限性能与电压的关系。在进行压电振子的优化设计时,其输出力和位移特性可作为压电振子驱动能力的直接评价标准。为了缩短压电振子的开发时间,降低开发成本,提出了一种可以很好地与理论计算结果相吻合的压电耦合有限元仿真方法,并通过试验测试对其准确性进行了评估,确定了该方法的可行性。 微阀是微型压电泵(以下简称压电泵)的关键流体控制元件,而微型被动截止阀在体积、成本和功耗等方面比其它形式的微阀更具优势。论文第三章通过比较常见微型被动截止阀的优缺点,最终选定轮式阀作为压电泵的微阀结构。首先对常用轮式阀的等效刚度进行了理论计算,并提出了可行的测量方法。随后对轮式阀的静态特性进行了分析,其中特别讨论了气液混合状态下轮式阀的临界开启压力和毛细作用引起的截止现象,毛细截止现象使压电泵具有完全截止能力,因而提高了压电泵的实用性。 由于阀座的存在,在交变压力的作用下,轮式阀阀片的运动状态在多数情况下为碰撞振动。试验发现,随着振动频率的增加,阀片与阀座的碰撞模式由滞留碰撞向非滞留碰撞转变。论文对该现象进行了理论分析,并明确了各碰撞模式发生的边界条件,推导了各碰撞模式下周期净流量和累计净流量的计算公式。研究表明,该公式反映的流量变化规律具有普遍性。 轮式阀工作时的能量损失大致可分为水头损失、碰撞损失和流量损失,其中水头损失与轮式阀及其安装结构有关,而碰撞损失与轮式阀的刚度、频率等因素相关。 论文第四章从吸程出流现象着手,通过理论和仿真分析证明了压电泵工作时除因泵腔容积变化引起的容积流外,压电振子对流体做功引起的惯性流对压电泵的输出流量亦有很大影响。在压电泵工作原理传统认识的基础上推导的流量计算公式,由于没有考虑这种影响,故计算结果与实际情况偏差较大。本文基于阀的过流特性提出了新的流量计算公式,计入了惯性流的影响,准确地表述了压电泵流量的变化趋势,与实验现象符合很好。 压电泵工作时,压电振子将电能转化为振动形式的机械能,而泵腔、阀等附属结构则将压电振子提供的机械能转化为流体流动的能量。若以电功率、机械功率及流动功率分别表述上述三种能量,则可认为在电功率不变的情况下,流动功率可作为评价压电泵工作效率的标准。流动功率可通过压电泵的压力-流量特性曲线直观地评价。同时,压力-流量的线性特征和变化规律表明压电泵的工作效率并不恒定,而与频率、负载及管路-系统特性有关。因此,除了最大程度地提高压电振子的机电转化效率、减小阀的工作损耗,还可以根据压力-流量特性和管路-系统特性调节压电泵的工作频率及驱动电压,使压电泵的工况点出现在压力-流量特性曲线的高效率点。 针对压电振子、被动截止阀和压电泵工作原理及特性的研究,为压电泵的设计提供了理论依据。论文第五章通过对压电泵驱动电压的试验研究,发现确如第二章所述,压电泵的输出流量和压力与驱动电压呈线性关系。而驱动波形的试验表明,与方波驱动相比,正弦波驱动时压电泵的工作效率更高。但考虑到方波驱动电路结构简单、效率高、易于微型化等优势,最终采用方波作为微型压电泵的驱动信号,并研制了微型、高效率的压电泵驱动电路。 根据轮式阀的工作特性及能量损耗因素,对轮式阀的刚度、阀片与阀孔的配合尺寸、预紧凸台的高度等结构参数进行了匹配,最终制成了包括驱动电路在内的,功耗仅为11mW的微型压电泵。其最大输出压力为30kPa,最大流量为25ml/min此外,第五章还对压电泵串联和并联时的输出特性进行了研究,并提出了压电泵串联和并联的选择依据和方法。 寿命测算是产品开发的重要环节,为了缩短压电泵产品的开发周期,根据压电泵产品的失效机理,论文第六章在实验室模拟环境下依据GB2689.1-81,应用定数截尾恒定应力加速寿命试验方法,对100台通过批量生产工艺制得的压电泵在加速应力水平下进行了3400小时的加速寿命试验,并采用GB2689.4-81规定的最好线性无偏估计法对试验数据进行了处理。结果表明,可靠度为0.95时,压电泵在正常应力水平下的寿命约为5800小时。


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