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压电驱动式主动阀压电泵理论与试验研究

刘凯  
【摘要】:压电泵是利用压电振子施加电压后的机械振动实现流体传输的一种新型流体传输装置,是流动系统的重要组成部分和研究热点之一,其研究机构遍布世界上十几个国家和地区。由于压电泵具有结构简单、体积小、无电磁干扰等诸多优点,并且可在较低的驱动电压下获得较好的输出能力,因此在化学分析、医疗、制药及生物工程等领域具有广泛的应用前景。虽然压电泵历经了二十几年的研究和发展,目前对于有阀压电泵的研究工作还主要集中在被动阀压电泵上,但被动阀的开启和关闭动作与驱动器动作(即压电振子振动产生的泵腔体及变化)之间存在响应滞后,而且截止性能较差。而主动截止阀则是采用驱动器控制阀的开启和关闭,具有很强的可控性,既可以应用于微型泵中,也可以独立存在于微流动系统中,应用方式很灵活,其结构是被动阀和致动器的结合,故用于微泵中的致动原理也可用于主动阀,因此,主动阀压电泵有很大的研究价值和研究空间。本文综合分析了各种微型阀,提出了压电驱动式主动阀的选取原则,选择了具有高分辨力、快速响应、低功率消耗、不受磁场影响及对运行环境要求低等优点的压电元件作为主动阀的阀片,全面系统地阐述了压电驱动式主动阀压电泵的出流原理,分析了作为压电泵致动元件的圆形复合压电振子的振动模态,设计制造了压电驱动式主动阀压电泵的样机,并对样机进行了实验测试与分析。 一、压电振子的振动分析与试验测试 压电振子是压电泵的关键部件,了解其结构和工作特性对于提高压电泵输出性能具有非常重要的意义。本章首先介绍了压电效应,列举了一些压电材料,了解了压电振子的结构。通过薄板振动理论及压电学相关知识,推导出压电陶瓷复合压电振子的运动方程并进行了求解。 通过对压电振子的变形量的测试,发现压电振子的变形量和驱动电压呈较好的线性关系,因此可通过电压调整所需的变形量。同时,压电振子的变形量也与激振频率和驱动电压波形有关。采用不同的驱动电压信号时,压电 摘要 振子的变形量不同,正弦波驱动电压所获得的变形量最大、矩形波电压获得 的变形量最小。对于不同激振频率下压电振子所产生的变形的差别很显著, 因此,应将激振频率和驱动电压波形作为影响因素来研究压电振子的动态变 形量。有无负载对压电振子变形也有很影响,无负载时,压电振子变形量与 频率之间存在着良好的线性关系;有负载时,压电振子变形量与频率之间存 在着最佳对应点。 二、压电驱动式主动阀的特性研究 通过综合分析各种微型阀的结构和特性,选用了压电驱动的方式来驱动 压电泵。压电元件由于其本身具有高分辨力、快速响应、无摩擦和磨损、低 功率消耗、不受磁场影响及对运行环境要求低等一系列优点而成为前沿学科 领域的首选驱动元件被广泛应用。 利用有限元分析软件对压电振子的振动模态,确定了压电振子的最佳振 动模型和工作频率段。本文研究的压电驱动式主动阀压电泵工作是利用驱动 振子和阀片振子工作的共同配合来获得压电泵的最佳工作性能,选择了压电 振子的振型和频率后,振子工作的驱动电压相位差就成为研究侧重点。对压 电泵的实验测试表明:阀片工作时压电泵的输出压力值是驱动振子单独工作 时压电泵输出压力值的几倍,控制阀片振子的振动对压电泵输出性能的影响 是非常大的;在驱动振子与阀片振子的驱动电压信号相位差为180度时,可 使压电驱动式主动阀压电泵达到最大输出性能;不同频率下,相位差对输出 压力和输出流量的影响规律是一致的,均是呈抛物线形状。根据试验结果讨 论可知,通过调整驱动振子与阀片振子驱动电压信号相位差可获得压电泵不 同的输出性能。 三、设计理论 从结构优化设计的角 度,提出了压电泵的两种 结构,并分别对其性能进 行了测试和研究,最后选 定了较优的结构。 同片振子 },比必分州 日、、、、、、、、1 入、、、、、、、, 如 .二二二石二石‘二=二二三二二二 口巴巴巴二二二二二竺竺竺旦里巴旦 、、 ..口..面而函面己百面困耐丽口 ‘日资云减亘百奋刀口‘.日百日面百曰而云云己 ....叫一‘、、 图4一1压电驱动式主动阀压电泵的结构简图 吉林大学硕士研究生学位论文 图4一压电驱动式土动阔压电泵的结构简图 根据压电振子的机械限制功率和电限制功率,推导出压电泵腔体高度的 计算方法。讨论分析了轴向出流和径向出流时腔体内流体压力分布规律,认 ,为采用轴向出流有利于提高压电泵的输出能力,且随出口直径减小轴出压力 升高。 四、试验研究 用试验的方法研究了影响压电驱动式主动阀压电泵输出t的各个因素的 影响规律,主要结论如下: 当对压电振子施加不同的驱动电压信号时,压电驱动式主动阀压电泵输 出t是不同的。研究表明,当驱动电压波形为正弦波时,其输出t是最大的, 矩形波产生的最小,这与压电振子在空气中振动时中心变形t的变化规律是 相同的.因此,我们可通过采用正弦波来驱动压电振子,从而获得更好的输 出特性。 无论是输出压力还是输出


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