本文關(guān)鍵詞：帶有可壓縮腔和兩端固支閥的諧振式壓電泵的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：壓電泵是利用壓電晶體作為驅(qū)動器件,實現(xiàn)流體傳輸?shù)囊环N新型流體泵,它具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、能耗低、無電磁干擾,可根據(jù)電壓或頻率精確輸送微量流體等優(yōu)點,在化學(xué)分析、藥物輸送、微型機(jī)電以及航空航天等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價值。 目前對于傳統(tǒng)壓電泵的研究已經(jīng)取得了一系列的成果,國內(nèi)外開發(fā)了滿足各種要求的壓電泵。但尚未研究設(shè)計出一個能夠在輸出流量,輸出背壓及輸出精度等方面均具有良好表現(xiàn)的高性能壓電泵。主要限制原因可歸納為三點：一是壓電振子沒有良好的機(jī)電耦合設(shè)計,無法發(fā)揮壓電材料的高能量密度的優(yōu)點；二是傳統(tǒng)的單向閥在工作中存在嚴(yán)重的滯后性,無法適應(yīng)高頻工作條件：三是沒有考慮到液體的不可壓縮性,壓電泵在工作過程中,出、入水口管負(fù)載壓力大,沒有一個緩沖機(jī)構(gòu)減輕壓電泵的負(fù)載。 針對以上問題,本文提出了帶有可壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)及兩端固支的PDMS (polydimethylsiloxane)單向閥的新型諧振式壓電泵。諧振式壓電振子具有良好的機(jī)電耦合特性,在系統(tǒng)諧振頻率處,可產(chǎn)生最高的能量轉(zhuǎn)換率；兩端固支的PDMS單向閥具有優(yōu)良的高頻特性,并且無回流和泄漏現(xiàn)象：可壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)減輕了致動器的負(fù)載,增加了泵單個周期內(nèi)的輸出流量。 本文設(shè)計并優(yōu)化了壓電振子的機(jī)電耦合結(jié)構(gòu),提出了長梁式和折疊振子式兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)。與長梁式振子相比,采用壓電晶片粘貼在折疊振子上作為激勵源的折疊式壓電振子,其表面應(yīng)力分布更為均勻,因此,壓電晶片的利用率和能量轉(zhuǎn)換率更高。此外,多層折疊的機(jī)械結(jié)構(gòu)壓縮了空間體積,使壓電泵整體結(jié)構(gòu)更為緊湊。壓電晶片和金屬振子組成的壓電振子與泵體部分構(gòu)成了諧振型壓電泵,在壓電泵系統(tǒng)的諧振頻率處,壓電致動器能量轉(zhuǎn)換率最高,此時,壓電泵可獲得最佳的輸出性能。本文建立了完整的壓電振子模型,通過ANSYS有限元仿真分析其工作模態(tài)、諧振頻率和應(yīng)力分布,并建立了壓電振子和泵腔的動力學(xué)模型,得出了諧振頻率、模態(tài)振型、泵腔體積變化量的計算表達(dá)式。 單向閥是壓電泵的重要元件,本文提出了一種新型兩端固支結(jié)構(gòu)的PDMS單向閥。從原理和實驗兩方面,解釋并驗證了該閥的工作原理和性能表現(xiàn)。大量的實驗數(shù)據(jù)證明該類型單向閥具有優(yōu)良的高頻特性,良好的反向截止特性,較低的開啟壓力,且靜態(tài)效率可達(dá)99.5%,為設(shè)計高性能的具有自啟動能力的壓電泵提供了重要保證。 考慮到液體的不可壓縮特性,在一個較長的流道內(nèi)驅(qū)動大的液體負(fù)載是較困難的。本文首次提出了位于出入水口處的可壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu),采用PDMS薄膜加工設(shè)計,具有結(jié)構(gòu)簡單,易變形的特點。在壓電泵工作過程中,壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)可有效地減輕剛性泵體的負(fù)載,增加單個周期內(nèi)的輸出流量。本文把壓電泵的機(jī)械參數(shù)等效成電路參數(shù),通過模擬電路仿真軟件分析了可壓縮腔結(jié)構(gòu)對壓電泵工作性能的影響。實驗和仿真結(jié)果表明,帶有壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)的壓電泵較無壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)的壓電泵輸出流量提高了約20%。 本文制作了壓電泵樣機(jī),采用實驗裝置測試壓電泵輸出性能。實驗結(jié)果表明：長梁式和折疊振子式壓電泵樣機(jī)均可以穩(wěn)定輸出液體。對于長梁式壓電泵,總體體積為100mm×20mm×15mm,在490Hz、400Vp-p的交流激勵電壓下,樣機(jī)泵輸出流量可達(dá)105ml/min,輸出背壓可達(dá)23kPa,功耗僅42mW。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的折疊振子式壓電泵,總體體積為20mm×20mm×28mm,在361Hz、120Vp-p的交流激勵電壓下,樣機(jī)泵輸出流量可達(dá)118ml/min,輸出背壓可達(dá)22.5kPa,功耗僅62mW,且在驅(qū)動電壓為361Hz、4Vp-p時,可得到穩(wěn)定的最小輸出流量160gl/min。實驗數(shù)據(jù)證明了長梁式和折疊振子式壓電泵的有效性,并且輸出流量及背壓與驅(qū)動電壓有良好的線性關(guān)系,從而可通過改變驅(qū)動電壓精確控制壓電泵的流量。 本文所設(shè)計的帶有可壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)及兩端固支的PDMS單向閥的新型諧振式壓電泵具有高輸出流量及背壓、高效率、高精度、低功耗、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點,并且具有良好的自啟動能力,未來有望應(yīng)用于燃料電池,水冷系統(tǒng),藥物輸送等領(lǐng)域。
【關(guān)鍵詞】：壓電泵 諧振 應(yīng)力分布 單向閥 壓縮腔
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH38
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 緒論11-29
• 1.1 引言11
• 1.2 壓電泵的研究現(xiàn)狀11-22
• 1.2.1 壓電泵的分類12-13
• 1.2.2 壓電泵的國外研究現(xiàn)狀13-20
• 1.2.3 壓電泵的國內(nèi)研究現(xiàn)狀20-22
• 1.3 壓電泵的應(yīng)用與發(fā)展22-26
• 1.3.1 壓電泵在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用23-24
• 1.3.2 壓電泵在燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用24-25
• 1.3.3 壓電泵在CPU芯片液體冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用25-26
• 1.4 本文的研究意義與主要工作26-29
• 第2章 諧振型壓電泵的整體設(shè)計29-53
• 2.1 壓電振子的設(shè)計與原理29-40
• 2.1.1 長梁式壓電振子的設(shè)計與原理30-36
• 2.1.2 折疊式壓電振子的設(shè)計與原理36-40
• 2.2 單向閥的設(shè)計與原理40-45
• 2.2.1 兩端固支的PDMS單向閥的設(shè)計與原理41-42
• 2.2.2 兩端固支的PDMS單向閥的靜態(tài)特性42-45
• 2.3 可壓縮腔的設(shè)計與原理45-50
• 2.3.1 可壓縮腔的設(shè)計與原理46-47
• 2.3.2 可壓縮腔的等效電路參數(shù)47-50
• 2.4 本章小結(jié)50-53
• 第3章 諧振型壓電泵的試驗研究53-75
• 3.1 長梁式壓電泵的試驗研究53-65
• 3.1.1 長梁式壓電泵的結(jié)構(gòu)53-56
• 3.1.2 樣機(jī)的性能測試56-65
• 3.2 折疊式壓電泵的試驗研究65-73
• 3.2.1 折疊式壓電泵的結(jié)構(gòu)65-67
• 3.2.2 樣機(jī)的性能測試67-73
• 3.3 本章小結(jié)73-75
• 第4章 總結(jié)與展望75-79
• 4.1 研究結(jié)論75-76
• 4.2 研究展望76-79
• 參考文獻(xiàn)79-83
• 致謝83-85
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果85

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：帶有可壓縮腔和兩端固支閥的諧振式壓電泵的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：380248