【摘要】：流體的高精度輸送和分配是現(xiàn)代科技領(lǐng)域重要的試驗(yàn)手段，在生物醫(yī)學(xué)、精細(xì)化工、醫(yī)藥研究等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，如實(shí)驗(yàn)室的藥液配比系統(tǒng)、生物分析技術(shù)和高通量篩選技術(shù)等�，F(xiàn)有的流體輸送和分配系統(tǒng)通常體積較大、造價(jià)昂貴，使用上受到較多的限制，通常只能在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境當(dāng)中使用。近年國內(nèi)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(duì)流體的微量輸送與精確檢測(cè)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(chǔ)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(guān)鍵是如何設(shè)計(jì)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(lǐng)域的熱點(diǎn)。因?yàn)閴弘姳镁哂袩o電磁干擾、耗能低、結(jié)構(gòu)緊湊、易于微小型化等特點(diǎn)，同時(shí)便于控制，可根據(jù)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(jié)合兩個(gè)國家高技術(shù)研究發(fā)展項(xiàng)目“具有自檢測(cè)功能的微型精密壓電泵研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2007AA04Z336）和“血糖檢測(cè)與胰島素注射微系統(tǒng)”（項(xiàng)目編號(hào)：2011AA040406）、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“壓電精密致動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：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(biāo)，開展了關(guān)于精密壓電泵的理論分析、有限元仿真、設(shè)計(jì)加工、試驗(yàn)測(cè)試等方面的研究。具體內(nèi)容如下： 1、壓電驅(qū)動(dòng)理論及壓電振子振動(dòng)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(jié)構(gòu)匹配的壓電振子參數(shù)，對(duì)構(gòu)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(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合層合板理論，應(yīng)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(shí)工作邊界條件，建立了壓電振子在外力和外加電場(chǎng)作用下的振動(dòng)方程，通過進(jìn)一步的推導(dǎo)，得到了壓電振子撓度的表達(dá)式，根據(jù)這個(gè)表達(dá)式分析了振子變形的影響因素，利用有限元軟件對(duì)壓電振子的變形進(jìn)行了仿真。在不同的邊界條件下，利用激光測(cè)微儀測(cè)試了雙晶片壓電振子的中心點(diǎn)的變形量，通過對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果能夠驗(yàn)證有限元模型的正確性。 2、壓電泵用單向截止閥研究 對(duì)于被動(dòng)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(guān)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(duì)壓電泵中單向截止閥的工作機(jī)理、工作方式及節(jié)流特性進(jìn)行了分析。建立了單向截止閥的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行了仿真求解，驗(yàn)證了主要參數(shù)對(duì)單向截止閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響趨勢(shì)。針對(duì)所采用的雙腔體壓電泵設(shè)計(jì)了懸臂梁式截止閥和盤式整體開啟閥兩種被動(dòng)截止閥，分析了它們的過流特性，進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。應(yīng)用有限元工程分析軟件對(duì)懸臂梁式單向閥和盤式整體開啟閥進(jìn)行了設(shè)計(jì)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)。 3、雙腔體精密壓電泵的設(shè)計(jì) 對(duì)現(xiàn)有的多振子壓電泵設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，研究其工作特性，討論了壓電振子個(gè)數(shù)、腔體間的聯(lián)接形式與輸出能力的關(guān)系。 針對(duì)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(gòu)建雙腔體精密壓電泵的兩種方案，設(shè)計(jì)并制作了不同結(jié)構(gòu)的壓電泵。分析了泵腔初始容積對(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)雙腔體壓電泵的性能影響，對(duì)壓電泵的壓力、流量－頻率特性及精密輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(yīng)用研究 提出了兩種不同的實(shí)現(xiàn)流體精密輸送的方案。 方案一：后推式壓電驅(qū)動(dòng)型胰島素泵的研究方案。提出把壓電泵作為動(dòng)力源，從注射器后面推動(dòng)活塞注射藥物的結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)研究表明：具有良好的截止性，可以避免藥物的回流現(xiàn)象，壓電泵不必與輸藥管一起頻繁更換，可以重復(fù)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(cè)功能的壓電泵。提出將微型流量傳感器和微型壓電泵結(jié)合成為具有自檢測(cè)功能的壓電泵。研制了自檢測(cè)功能壓電泵及其實(shí)驗(yàn)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(biāo)體積100μl，對(duì)輸出重復(fù)性誤差進(jìn)行了分析，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)壓電泵的輸出進(jìn)行了辨識(shí)。 5、自檢測(cè)壓電泵電控單元的研制 根據(jù)壓電泵的工作特點(diǎn)，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)制作了壓電泵專用電源控制器。進(jìn)行了模糊自整定PID控制方法研究，根據(jù)輸入、輸出特性建立隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則，對(duì)比例因子進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)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(shè)備和技術(shù)保障。 本文的研究?jī)?nèi)容涉及壓電學(xué)、機(jī)械學(xué)、流體力學(xué)、振動(dòng)分析、控制學(xué)等多學(xué)科交叉的知識(shí)。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(chǔ)，對(duì)相近流體驅(qū)動(dòng)裝置的研制具有借鑒參考意義。
【圖文】：

量也能達(dá)到 22.5ml/min。(a) 超聲波壓電泵實(shí)物樣機(jī) (b) 超聲波壓電泵結(jié)構(gòu)圖圖1.3 超聲波壓電微泵2011 年，臺(tái)灣國立成功大學(xué)的 Chung-Shao Chao 等人，設(shè)計(jì)了一種蠕動(dòng)式壓電微泵，這種泵具有應(yīng)用到高精度的藥物輸送系統(tǒng)中的潛力[71]。它結(jié)構(gòu)小巧，幾乎可以應(yīng)用到所有類型的便攜式設(shè)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(qū)動(dòng)源，可以在注射中減少推進(jìn)的功率消耗。壓電微型泵的驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)過改良，存儲(chǔ)器能夠重復(fù)充電，驅(qū)動(dòng)電路采用兩階段進(jìn)行充電，壓電泵能夠輸出更多的(a) 共振壓電泵結(jié)構(gòu)圖 (b) 驅(qū)動(dòng)電源電路圖圖 1.2 壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的隔膜式共振型

日本東京工業(yè)大學(xué)的 Takeshi Hasegawa、Daisuke Koyama 等人設(shè)計(jì)的一種使用盤狀換能器的微型超聲波壓電泵，其結(jié)構(gòu)如圖 1.3[70]。采用一個(gè) 30mm 直徑的環(huán)狀壓電元件驅(qū)動(dòng)振動(dòng)圓盤。振動(dòng)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(gè)細(xì)管垂直安裝在圓盤振動(dòng)器的中心上，細(xì)管端部在對(duì)面圓盤表面振動(dòng)時(shí)，液體被吸入細(xì)管。當(dāng)在壓電圓盤中心的振動(dòng)速度為1.0m/s，保持間隙尺寸為 10μm 時(shí)，壓電泵的最大輸出壓力可以達(dá)到 20.6kPa，最大流量也能達(dá)到 22.5ml/min。(a) 共振壓電泵結(jié)構(gòu)圖 (b) 驅(qū)動(dòng)電源電路圖圖 1.2 壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的隔膜式共振型壓電泵
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TH38

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2595649