【摘要】：流體的高精度輸送和分配是現代科技領域重要的試驗手段，在生物醫(yī)學、精細化工、醫(yī)藥研究等領域有著廣泛應用，如實驗室的藥液配比系統(tǒng)、生物分析技術和高通量篩選技術等�，F有的流體輸送和分配系統(tǒng)通常體積較大、造價昂貴，使用上受到較多的限制，通常只能在實驗室的環(huán)境當中使用。近年國內外開展了小型與微型流體輸送和分配系統(tǒng)的研究。 流體泵與流量傳感器是流體輸送和分配系統(tǒng)的主要部件，起著對流體的微量輸送與精確檢測并控制的重要作用，是系統(tǒng)中不可或缺的。在體積較大的傳統(tǒng)型電磁泵的基礎上，是無法制造出小型或微型流體輸送和分配系統(tǒng)的，因此該系統(tǒng)的關鍵是如何設計制造小型化或微型化的流體泵。 近年來，采用壓電元件作為換能器的壓電泵，成為微小型流體泵研究領域的熱點。因為壓電泵具有無電磁干擾、耗能低、結構緊湊、易于微小型化等特點，同時便于控制，可根據施加電壓或頻率精確控制壓電泵的輸出，所以壓電泵比較適宜作為微型或小型流體輸送和分配系統(tǒng)的流體泵。 本文結合兩個國家高技術研究發(fā)展項目“具有自檢測功能的微型精密壓電泵研究”（項目編號：2007AA04Z336）和“血糖檢測與胰島素注射微系統(tǒng)”（項目編號：2011AA040406）、國家自然科學基金重點項目“壓電精密致動技術的基礎研究”（項目編號：50735002）開展研究。以研發(fā)微型精密壓電泵和用于胰島素推注的壓電微泵為目標，開展了關于精密壓電泵的理論分析、有限元仿真、設計加工、試驗測試等方面的研究。具體內容如下： 1、壓電驅動理論及壓電振子振動分析 壓電振子是壓電泵的換能器，其性能很大程度上決定了壓電泵的輸出能力。通過分析壓電陶瓷材料的特性，選擇與壓電泵結構匹配的壓電振子參數，對構建輸出性能穩(wěn)定的壓電泵具有重要意義。 在了解壓電陶瓷基本性能參數的基礎上，結合層合板理論，應用Hamilton原理，采用改變支撐邊界的扭簧、彈簧和阻尼的方法模擬壓電振子的真實工作邊界條件，建立了壓電振子在外力和外加電場作用下的振動方程，通過進一步的推導，得到了壓電振子撓度的表達式，根據這個表達式分析了振子變形的影響因素，利用有限元軟件對壓電振子的變形進行了仿真。在不同的邊界條件下，利用激光測微儀測試了雙晶片壓電振子的中心點的變形量，通過對比分析，測試結果能夠驗證有限元模型的正確性。 2、壓電泵用單向截止閥研究 對于被動截止閥壓電泵來說，其采用的單向截止閥的性能（工作中的阻尼，單向閥的剛度，開啟壓力，開啟和關閉的滯后性）直接影響著壓電泵的輸出性能，比如自吸性、截止性、輸出流量的精密性。 對壓電泵中單向截止閥的工作機理、工作方式及節(jié)流特性進行了分析。建立了單向截止閥的動力學模型，對動力學方程進行了仿真求解，驗證了主要參數對單向截止閥運動規(guī)律的影響趨勢。針對所采用的雙腔體壓電泵設計了懸臂梁式截止閥和盤式整體開啟閥兩種被動截止閥，分析了它們的過流特性，進行了相應的實驗測試。應用有限元工程分析軟件對懸臂梁式單向閥和盤式整體開啟閥進行了設計和相關實驗。 3、雙腔體精密壓電泵的設計 對現有的多振子壓電泵設計方案進行分析，研究其工作特性，討論了壓電振子個數、腔體間的聯(lián)接形式與輸出能力的關系。 針對精密輸出的目的，給出了采用懸臂梁式單向截止閥和盤式整體開啟閥構建雙腔體精密壓電泵的兩種方案，設計并制作了不同結構的壓電泵。分析了泵腔初始容積對壓電泵工作的影響，提出了提高壓電泵輸出能力的方法。通過實驗分析了懸臂梁式單向截止閥和盤式整體開啟式單向截止閥對雙腔體壓電泵的性能影響，對壓電泵的壓力、流量－頻率特性及精密輸出特性進行了實驗，驗證了壓電泵具有精密輸出的能力。 4、微型精密壓電泵系統(tǒng)的應用研究 提出了兩種不同的實現流體精密輸送的方案。 方案一：后推式壓電驅動型胰島素泵的研究方案。提出把壓電泵作為動力源，從注射器后面推動活塞注射藥物的結構，通過試驗研究表明：具有良好的截止性，可以避免藥物的回流現象，壓電泵不必與輸藥管一起頻繁更換，可以重復使用，該系統(tǒng)的輸出具有很好的穩(wěn)定性。 方案二：具有自檢測功能的壓電泵。提出將微型流量傳感器和微型壓電泵結合成為具有自檢測功能的壓電泵。研制了自檢測功能壓電泵及其實驗裝置，，利用開環(huán)控制、最優(yōu)線性二次型控制及模糊PID控制方法分別輸送目標體積100μl，對輸出重復性誤差進行了分析，利用BP神經網絡對壓電泵的輸出進行了辨識。 5、自檢測壓電泵電控單元的研制 根據壓電泵的工作特點，針對不同應用場合，設計制作了壓電泵專用電源控制器。進行了模糊自整定PID控制方法研究，根據輸入、輸出特性建立隸屬函數和模糊控制規(guī)則，對比例因子進行自適應調整，以提高模糊控制精度，為掌握微流量控制規(guī)律提供了重要的設備和技術保障。 本文的研究內容涉及壓電學、機械學、流體力學、振動分析、控制學等多學科交叉的知識。論文的研究工作為精密壓電泵的研究提供了新的思路，為小型或微型流體輸送和分配系統(tǒng)提供了研究基礎，對相近流體驅動裝置的研制具有借鑒參考意義。
【圖文】：

量也能達到 22.5ml/min。(a) 超聲波壓電泵實物樣機 (b) 超聲波壓電泵結構圖圖1.3 超聲波壓電微泵2011 年，臺灣國立成功大學的 Chung-Shao Chao 等人，設計了一種蠕動式壓電微泵，這種泵具有應用到高精度的藥物輸送系統(tǒng)中的潛力[71]。它結構小巧，幾乎可以應用到所有類型的便攜式設備中。特別是它的能耗很低，采用低耗電的鋯鈦酸鉛（PZT）作為微泵的驅動源，可以在注射中減少推進的功率消耗。壓電微型泵的驅動電路經過改良，存儲器能夠重復充電，驅動電路采用兩階段進行充電，壓電泵能夠輸出更多的(a) 共振壓電泵結構圖 (b) 驅動電源電路圖圖 1.2 壓電疊堆驅動的隔膜式共振型

日本東京工業(yè)大學的 Takeshi Hasegawa、Daisuke Koyama 等人設計的一種使用盤狀換能器的微型超聲波壓電泵，其結構如圖 1.3[70]。采用一個 30mm 直徑的環(huán)狀壓電元件驅動振動圓盤。振動圓盤周邊是通過 O 型圈支撐的，它工作在共振頻率（19kHz）以下。一個細管垂直安裝在圓盤振動器的中心上，細管端部在對面圓盤表面振動時，液體被吸入細管。當在壓電圓盤中心的振動速度為1.0m/s，保持間隙尺寸為 10μm 時，壓電泵的最大輸出壓力可以達到 20.6kPa，最大流量也能達到 22.5ml/min。(a) 共振壓電泵結構圖 (b) 驅動電源電路圖圖 1.2 壓電疊堆驅動的隔膜式共振型壓電泵
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TH38

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 楊岳,周兆英,葉雄英;微型熱致動泵[J];半導體技術;1999年06期

2 劉曉為;王蔚;田麗;傅建奇;陳小潔;倪鶴南;曾娟;;集成微流體測控芯片的研制[J];傳感技術學報;2006年05期

3 崔琦峰;劉成良;Xuan F.(William)Zha;;串聯(lián)壓電微泵特性研究[J];傳感技術學報;2006年05期

4 王蔚;田麗;鮑志勇;劉曉為;王喜蓮;楊松濤;;一種新型壓電式雙向無閥微泵的研制[J];傳感技術學報;2006年05期

5 王海寧;崔大付;耿照新;陳興;;一種基于MEMS技術的壓電微泵的研究[J];傳感器與微系統(tǒng);2006年08期

6 陳堅美,應濟;壓電微泵性能的終端特性分析及其模擬研究[J];工程設計學報;2003年04期

7 魯立君;吳健康;;生物芯片壓電微流體泵液-固耦合系統(tǒng)模態(tài)分析[J];固體力學學報;2005年04期

8 臧慶,王琪民;胰島素泵的研究及對人工胰腺發(fā)展的展望[J];國外醫(yī)學.生物醫(yī)學工程分冊;2005年02期

9 闞君武,楊志剛,程光明;壓電泵的現狀與發(fā)展[J];光學精密工程;2002年06期

10 曾平,程光明,劉九龍,孫曉鋒,趙艷龍;雙腔薄膜閥壓電泵的實驗研究[J];光學精密工程;2005年03期

相關博士學位論文 前2條

1 李鵬;主動閥壓電泵的理論與實驗研究[D];吉林大學;2007年

2 魏列江;液體微小流量的非定常流測量原理與方法的研究[D];蘭州理工大學;2009年

相關碩士學位論文 前1條

1 任子武;基于神經網絡的參數自整定PID控制算法研究[D];哈爾濱理工大學;2004年

本文編號：2595649