基于振動(dòng)濾波器的壓電泵研究.pdf

1、壓電泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于微型化、功耗低、效率高、功率密度高、控制精度高、響應(yīng)速度快、噪聲小等許多優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，并且在生物醫(yī)療、化學(xué)分析、微電子設(shè)備、機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而目前壓電泵的實(shí)際輸出功率和工作效率普遍較低，造成這一現(xiàn)狀的主要原因是目前壓電泵的有效工作頻率較低，無法發(fā)揮壓電材料在高頻下工作功率密度高的優(yōu)勢(shì)。為此，本論文結(jié)合壓電致動(dòng)器的輸出特性，從典型壓電容積泵的工作原理出發(fā)，提出液體動(dòng)

2、態(tài)負(fù)荷是阻礙壓電泵有效工作頻率進(jìn)一步提高的主要因素;而通過引入振動(dòng)濾波器阻隔泵腔內(nèi)外液體的剛性連接的方式可以大大減輕高頻下壓電致動(dòng)器推動(dòng)液體的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，進(jìn)而提高壓電泵高頻工作時(shí)的有效輸出和工作效率。
　　本論文對(duì)液體動(dòng)態(tài)負(fù)荷和振動(dòng)濾波器模型進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，并將其應(yīng)用于一種全新設(shè)計(jì)的U形壓電諧振泵中，得到了結(jié)構(gòu)緊湊、制作方便、工作可靠、性能突出的壓電泵原型機(jī)。本文的主要工作和結(jié)論如下:
　　提出高頻下液體動(dòng)態(tài)負(fù)荷是阻

3、礙壓電泵工作頻率進(jìn)一步提高的重要因素。首先從壓電堆棧推動(dòng)液體振動(dòng)的模型出發(fā)推導(dǎo)出液體動(dòng)態(tài)負(fù)荷的計(jì)算公式，得到液體動(dòng)態(tài)負(fù)荷及其等效剛度與振動(dòng)頻率的平方及液體質(zhì)量成正比的規(guī)律，并分析指出高頻下液體動(dòng)態(tài)負(fù)荷將大大限制壓電致動(dòng)器的輸出位移和輸出功率。然后結(jié)合壓電容積泵的實(shí)際結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步分析了液體動(dòng)態(tài)負(fù)荷在不同橫截面積的管路中傳遞的關(guān)系，得到作用于壓電致動(dòng)器的總液體動(dòng)態(tài)負(fù)荷只與泵腔橫截面積及管路的總長(zhǎng)度成正比;聯(lián)系壓電泵的工作過程，指出壓電泵中液

4、體流速包含直流成分和交流成分，其中直流成分是需要的泵輸出流量，而引起動(dòng)態(tài)負(fù)荷的則是不需要的高頻交流分量。采用類比線路圖的方法得到液體質(zhì)量可類比為電路中的電感性元件，其在高頻下會(huì)降低壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)負(fù)載的功率因數(shù)，使壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能無法被充分利用。
　　在充分認(rèn)識(shí)壓電泵中液體動(dòng)態(tài)負(fù)荷的基礎(chǔ)上，提出采用振動(dòng)濾波器阻隔泵腔內(nèi)外液體的剛性連接、平滑閥外液體流動(dòng)的高頻分量，從而減小壓電泵中液體流動(dòng)的高頻動(dòng)態(tài)負(fù)荷的方法。以彈簧—阻尼器建立振

5、動(dòng)濾波器的力學(xué)模型，從理論上分析了振動(dòng)濾波器對(duì)閥外液體高頻振動(dòng)的衰減作用，得出當(dāng)振動(dòng)濾波器的彈簧剛度足夠小時(shí)，泵內(nèi)液體動(dòng)態(tài)負(fù)荷僅由泵腔內(nèi)液體引起，從而可以大大減輕作用于壓電致動(dòng)器的液體動(dòng)態(tài)負(fù)荷，使其高頻驅(qū)動(dòng)性能可以有效發(fā)揮出來。提出兩種在壓電泵中構(gòu)造振動(dòng)濾波器的方法，即通過氣體腔或柔性薄膜的方式構(gòu)造振動(dòng)濾波器，并從力學(xué)上分析了它們等效為彈簧時(shí)的彈性特性。同樣采用類比線路圖的方法得到振動(dòng)濾波器可類比為電路中的電容性元件，它的加入既可以構(gòu)成

6、低通濾波器衰減高頻振動(dòng)，又與所需驅(qū)動(dòng)的液體質(zhì)量（類比為電感性元件）并聯(lián)從而可以提高壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)。
　　設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試了振動(dòng)濾波器對(duì)壓電容積泵輸出流量的改善作用，從而驗(yàn)證了振動(dòng)濾波器可以減輕壓電泵中液體高頻動(dòng)態(tài)負(fù)荷，提高壓電泵高頻下有效輸出的理論。設(shè)計(jì)并搭建了壓電容積泵的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，采用自制的基于壓電堆棧的鈸形壓電致動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)元件，分別對(duì)不加入振動(dòng)濾波器的容積泵和加入振動(dòng)濾波器的容積泵輸出流量的頻率特性和電壓

7、特性進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)比得到加入振動(dòng)濾波器后容積泵的輸出流量有了明顯提升，在200～500 Hz的非諧振工作頻段，最大輸出流量可提高10％～50％。
　　將柔性薄膜振動(dòng)濾波器應(yīng)用于全新設(shè)計(jì)的基于U形壓電振子的諧振式壓電容積泵，從而開發(fā)出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、性能卓越的壓電泵系統(tǒng)。該泵系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分:一種全新設(shè)計(jì)的U形壓電振子和兩個(gè)加入柔性薄膜振動(dòng)濾波器的容積泵。利用有限元方法研究設(shè)計(jì)了可用于驅(qū)動(dòng)容積泵的U形壓電振子，其具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱、

8、壓電陶瓷片表面應(yīng)變分布均勻等特點(diǎn)，從而具有很高的驅(qū)動(dòng)性能;而在容積泵中加入柔性薄膜振動(dòng)濾波器結(jié)構(gòu)，則可以最大程度發(fā)揮該U形壓電振子的驅(qū)動(dòng)特性。加工制作了U形壓電諧振泵的樣機(jī)，壓電泵的整體尺寸為30mm×37mm×72.5 mm，并對(duì)其動(dòng)態(tài)特性和主要輸出性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)為峰峰值300 Vpp的的正弦電壓時(shí)，該諧振式壓電泵在312Hz的工作頻率下輸出流量達(dá)到最大值，最大流量超過1660 mL/min;另外當(dāng)激勵(lì)頻