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微小型主动阀压电泵的结构设计理论及控制系统的研究

何丽鹏  
【摘要】: 压电泵是利用压电材料的逆压电效应,使压电振子产生变形,再由变形产生泵腔的容积变化,从而实现对流体定向驱动的新型微小泵。本文在总结了国内外压电流体泵研究的基础上,对其影响流量的参数进行仿真分析,而且进行了实验优化设计,设计并制作了三种压电泵,并且对单腔双主动阀压电泵、单腔双主动阀复合压电泵、双腔串联压电泵进行了实验对比测试,为主动阀压电泵的深入研究奠定了基础。同时也为提高压电泵的输出特性提供了一种新的方法。 根据不同压电驱动器的特点以及泵工作情况的要求,选择了适用于压电泵驱动的压电驱动器——圆形双晶片压电振子。基于克希霍夫的基本假设建立了双晶片压电振子的理论模型,利用Rayleigh-Ritz法求解,推导出的圆形双晶片压电振子的一阶弯曲振动的固有频率和动态位移模式函数,并得出圆形双晶片压电振子的固有频率以及在某一电场下的挠度,不仅与压电陶瓷片和金属基板的材料属性有关,而且与金属基板的厚度、压电陶瓷片的厚度、金属基板的直径、压电陶瓷片的直径有很大关系。 综合考虑压电泵结构的设计要求,确定了双晶片压电振子的尺寸,选用基板直径Φ35mm的压电双晶片,其压电陶瓷直径为Φ30mm,基板厚度0.1mm,陶瓷厚度0.3mm。选取了适宜驱动压电振子的波形信号并确定了90V为压电振子工作的适宜电压。找出了压电振子的振幅随电压、频率以及预紧力之间的关系,从理论上分析压电泵性能的影响因素,研究泵腔内流体的流动特性,改进泵体的结构;压电振子不仅是压电晶片驱动式主动阀的关键部件,而且还是压电泵的动力源,其振动状态决定压电晶片驱动式主动阀和压电泵的工作性能。利用有限元分析软件ANSYS分析了阀口厚度w和阀口开度hv对阀腔内流场分布和压强损耗的影响,为优化圆形单晶片驱动式为微小型主动阀的结构提供了依据。对影响流量的泵的关键参数进行优化,根据优化后的参数设计并制作了单腔体、双腔体及单腔双作用压电泵,并进行了实验对比分析,实验测试表明双作用压电泵可以有效提高压电泵的输出性能。 基于模块化的思想,分别介绍了其电源的选取以及单片机的分析与选择,并对其通信方式、接口标准等进行了分析,并自行设计了驱动电路和反馈电路,为其自动控制的实现提供了硬件支持;工作软件主要上位机(即PC机)程序和下位机(即单片机)程序,上位机软件程序用VS C#语言编写,下位机软件程序也用VS C#语言编写。上位机软件负责根据用户设定的参数以及下位机上传的振动反馈信号来发送控制指令给下位机;下位机软件则根据上位机下发的控制指令来控制硬件电路的工作,同时将采集的振动反馈信号传送给上位机。最后对该系统的各项性能指标进行了测试。经过多次实验和使用,证明该控制系统的各项指标可以满足对输送流量的精度要求较高的应用场合。


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