基于振動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，受到國內(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。為此，本論文結(jié)合壓電致動器的輸出特性，從典型壓電容積泵的工作原理出發(fā)，提出液體動

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器推動液體的動態(tài)負(fù)荷，進(jìn)而提高壓電泵高頻工作時的有效輸出和工作效率。
　　本論文對液體動態(tài)負(fù)荷和振動濾波器模型進(jìn)行了理論分析和實驗研究，并將其應(yīng)用于一種全新設(shè)計的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。本文的主要工作和結(jié)論如下:
　　提出高頻下液體動態(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液體振動的模型出發(fā)推導(dǎo)出液體動態(tài)負(fù)荷的計算公式，得到液體動態(tài)負(fù)荷及其等效剛度與振動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態(tài)負(fù)荷將大大限制壓電致動器的輸出位移和輸出功率。然后結(jié)合壓電容積泵的實際結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步分析了液體動態(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器的總液體動態(tài)負(fù)荷只與泵腔橫截面積及管路的總長度成正比;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，其在高頻下會降低壓電致動器驅(qū)動負(fù)載的功率因數(shù)，使壓電致動器的驅(qū)動性能無法被充分利用。
　　在充分認(rèn)識壓電泵中液體動態(tài)負(fù)荷的基礎(chǔ)上，提出采用振動濾波器阻隔泵腔內(nèi)外液體的剛性連接、平滑閥外液體流動的高頻分量，從而減小壓電泵中液體流動的高頻動態(tài)負(fù)荷的方法。以彈簧—阻尼器建立振

5、動濾波器的力學(xué)模型，從理論上分析了振動濾波器對閥外液體高頻振動的衰減作用，得出當(dāng)振動濾波器的彈簧剛度足夠小時，泵內(nèi)液體動態(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器的液體動態(tài)負(fù)荷，使其高頻驅(qū)動性能可以有效發(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)造振動濾波器，并從力學(xué)上分析了它們等效為彈簧時的彈性特性。同樣采用類比線路圖的方法得到振動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，又與所需驅(qū)動的液體質(zhì)量（類比為電感性元件）并聯(lián)從而可以提高壓電致動器驅(qū)動負(fù)載時的功率因數(shù)。
　　設(shè)計對比實驗測試了振動濾波器對壓電容積泵輸出流量的改善作用，從而驗證了振動濾波器可以減輕壓電泵中液體高頻動態(tài)負(fù)荷，提高壓電泵高頻下有效輸出的理論。設(shè)計并搭建了壓電容積泵的實驗測試平臺，采用自制的基于壓電堆棧的鈸形壓電致動器作為驅(qū)動元件，分別對不加入振動濾波器的容積泵和加入振動濾波器的容積泵輸出流量的頻率特性和電壓

7、特性進(jìn)行測試，通過對比得到加入振動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％。
　　將柔性薄膜振動濾波器應(yīng)用于全新設(shè)計的基于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)主要包括兩個部分:一種全新設(shè)計的U形壓電振子和兩個加入柔性薄膜振動濾波器的容積泵。利用有限元方法研究設(shè)計了可用于驅(qū)動容積泵的U形壓電振子，其具有結(jié)構(gòu)對稱、

8、壓電陶瓷片表面應(yīng)變分布均勻等特點，從而具有很高的驅(qū)動性能;而在容積泵中加入柔性薄膜振動濾波器結(jié)構(gòu)，則可以最大程度發(fā)揮該U形壓電振子的驅(qū)動特性。加工制作了U形壓電諧振泵的樣機，壓電泵的整體尺寸為30mm×37mm×72.5 mm，并對其動態(tài)特性和主要輸出性能進(jìn)行了實驗測試。實驗結(jié)果表明，當(dāng)激勵信號為峰峰值300 Vpp的的正弦電壓時，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)激勵頻