【摘要】：壓電泵是利用壓電振子施加電壓后的機械振動實現(xiàn)流體傳輸的一種新型流體傳輸裝置，是流動系統(tǒng)的重要組成部分和研究熱點之一，其研究機構遍布世界上十幾個國家和地區(qū)。由于壓電泵具有結構簡單、體積小、無電磁干擾等諸多優(yōu)點，并且可在較低的驅動電壓下獲得較好的輸出能力，因此在化學分析、醫(yī)療、制藥及生物工程等領域具有廣泛的應用前景。雖然壓電泵歷經了二十幾年的研究和發(fā)展，目前對于有閥壓電泵的研究工作還主要集中在被動閥壓電泵上，但被動閥的開啟和關閉動作與驅動器動作(即壓電振子振動產生的泵腔體及變化)之間存在響應滯后，而且截止性能較差。而主動截止閥則是采用驅動器控制閥的開啟和關閉，具有很強的可控性，既可以應用于微型泵中，也可以獨立存在于微流動系統(tǒng)中，應用方式很靈活，其結構是被動閥和致動器的結合，故用于微泵中的致動原理也可用于主動閥，因此，主動閥壓電泵有很大的研究價值和研究空間。本文綜合分析了各種微型閥，提出了壓電驅動式主動閥的選取原則，選擇了具有高分辨力、快速響應、低功率消耗、不受磁場影響及對運行環(huán)境要求低等優(yōu)點的壓電元件作為主動閥的閥片，全面系統(tǒng)地闡述了壓電驅動式主動閥壓電泵的出流原理，分析了作為壓電泵致動元件的圓形復合壓電振子的振動模態(tài)，設計制造了壓電驅動式主動閥壓電泵的樣機，并對樣機進行了實驗測試與分析。 一、壓電振子的振動分析與試驗測試 壓電振子是壓電泵的關鍵部件，了解其結構和工作特性對于提高壓電泵輸出性能具有非常重要的意義。本章首先介紹了壓電效應，列舉了一些壓電材料，了解了壓電振子的結構。通過薄板振動理論及壓電學相關知識，推導出壓電陶瓷復合壓電振子的運動方程并進行了求解。 通過對壓電振子的變形量的測試，發(fā)現(xiàn)壓電振子的變形量和驅動電壓呈較好的線性關系，因此可通過電壓調整所需的變形量。同時，壓電振子的變形量也與激振頻率和驅動電壓波形有關。采用不同的驅動電壓信號時，壓電 摘要 振子的變形量不同，正弦波驅動電壓所獲得的變形量最大、矩形波電壓獲得 的變形量最小。對于不同激振頻率下壓電振子所產生的變形的差別很顯著， 因此，應將激振頻率和驅動電壓波形作為影響因素來研究壓電振子的動態(tài)變 形量。有無負載對壓電振子變形也有很影響，無負載時，壓電振子變形量與 頻率之間存在著良好的線性關系;有負載時，壓電振子變形量與頻率之間存 在著最佳對應點。 二、壓電驅動式主動閥的特性研究 通過綜合分析各種微型閥的結構和特性，選用了壓電驅動的方式來驅動 壓電泵。壓電元件由于其本身具有高分辨力、快速響應、無摩擦和磨損、低 功率消耗、不受磁場影響及對運行環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點而成為前沿學科 領域的首選驅動元件被廣泛應用。 利用有限元分析軟件對壓電振子的振動模態(tài)，確定了壓電振子的最佳振 動模型和工作頻率段。本文研究的壓電驅動式主動閥壓電泵工作是利用驅動 振子和閥片振子工作的共同配合來獲得壓電泵的最佳工作性能，選擇了壓電 振子的振型和頻率后，振子工作的驅動電壓相位差就成為研究側重點。對壓 電泵的實驗測試表明:閥片工作時壓電泵的輸出壓力值是驅動振子單獨工作 時壓電泵輸出壓力值的幾倍，控制閥片振子的振動對壓電泵輸出性能的影響 是非常大的;在驅動振子與閥片振子的驅動電壓信號相位差為180度時，可 使壓電驅動式主動閥壓電泵達到最大輸出性能;不同頻率下，相位差對輸出 壓力和輸出流量的影響規(guī)律是一致的，均是呈拋物線形狀。根據試驗結果討 論可知，通過調整驅動振子與閥片振子驅動電壓信號相位差可獲得壓電泵不 同的輸出性能。 三、設計理論 從結構優(yōu)化設計的角 度，提出了壓電泵的兩種 結構，并分別對其性能進 行了測試和研究，最后選 定了較優(yōu)的結構。 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麗口 ‘日資云減亙百奮刀口‘.日百日面百曰而云云己 ....叫一‘、、 圖4一1壓電驅動式主動閥壓電泵的結構簡圖 吉林大學碩士研究生學位論文 圖4一壓電驅動式土動闊壓電泵的結構簡圖 根據壓電振子的機械限制功率和電限制功率，推導出壓電泵腔體高度的 計算方法。討論分析了軸向出流和徑向出流時腔體內流體壓力分布規(guī)律，認 ，為采用軸向出流有利于提高壓電泵的輸出能力，且隨出口直徑減小軸出壓力 升高。 四、試驗研究 用試驗的方法研究了影響壓電驅動式主動閥壓電泵輸出t的各個因素的 影響規(guī)律，主要結論如下: 當對壓電振子施加不同的驅動電壓信號時，壓電驅動式主動閥壓電泵輸 出t是不同的。研究表明，當驅動電壓波形為正弦波時，其輸出t是最大的， 矩形波產生的最小，這與壓電振子在空氣中振動時中心變形t的變化規(guī)律是 相同的.因此，我們可通過采用正弦波來驅動壓電振子，從而獲得更好的輸 出特性。 無論是輸出壓力還是輸出
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2004
【分類號】：TH35
【圖文】：

H.Q.Li等利用壓電疊堆振子制作了高頻率、大流量壓電疊堆式有閥壓電泵，其結構如圖1一3所示[l9]。壓電疊堆振子垂直方向變形引起腔體體積變化，吸程時腔體體積增加，迫使進口微型硅單向閥片向上彎曲，使進口打開，同時出口閥片向下彎曲，將出口關閉，液體向泵腔內流動;同理，排程時，進口被關閉，出口打開，流體從泵腔內排出。壓電疊堆式有閥壓電泵的特點是可以在高電壓、高頻率下工作。圖1一3比電疊堆或有陰壓甩呆H.Q.Li等研制的壓電疊堆式微型壓電泵(壓電振子為直徑1~、高1~的圓柱形壓電疊堆)，在峰值電壓1200V(基壓600V)、4.skHz、輸出壓力為零時的最大輸出流量可達到3ml/min。有閥壓電泵雖然結構相對復雜

它是利用流體流過收縮管和擴張管的不同阻力來實現(xiàn)流體單向輸送的。如圖1一4所示，當泵腔體積變化時，液體從進口和出口同時流入或排出，但由于進出圖14錐型管無閥壓電泵

實現(xiàn)流體的單向流動。為有別于其它形式的無閥壓電泵，本文稱之為異型管無閥壓電泵。圖1一5是T45/4xZ型異型管無閥壓電泵結構圖13vl，圖中黑色區(qū)域為閥和泵腔、中間白色部分(直徑最小處)是壓電振子(直徑為5~)、灰色區(qū)域是導電環(huán)氧樹脂、箭頭指向流體流動方向。實驗表明，它可以輸送直徑為3.1~20.3pm的聚苯乙烯微球懸浮物，微球的密度高達9000粒/pl時仍然能夠正常工作，不堵塞，這相當于每秒鐘有90000多個微球以0.6ml/min的速度從泵中流過。1.2.2.3溫控無閥壓電泵無閥壓電薄膜泵的另一種形式是利用液體粘度對溫度的依存關系，實現(xiàn)流體的單向傳輸。日本AIST乃涯ITI機械工程實驗室的5.Matsuxnoto等利用這個原理研制了溫控無閥雙向流體壓電泵[30]，工作原理見圖1一6。壓電振子通電時，薄膜向上彎曲

【引證文獻】

相關博士學位論文 前2條

1 孫曉鋒;雙振子壓電泵設計理論與結構優(yōu)化技術研究[D];吉林大學;2009年

2 何麗鵬;微小型主動閥壓電泵的結構設計理論及控制系統(tǒng)的研究[D];吉林大學;2010年

相關碩士學位論文 前1條

1 趙艷龍;芯片水冷系統(tǒng)中壓電泵性能的試驗與研究[D];吉林大學;2006年

本文編號：2769242