振子中心固定式大流量压电泵的研究

发布时间：2017-04-16 14:01

  本文关键词：振子中心固定式大流量压电泵的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：压电泵是利用压电材料特有的逆压电效应来工作的。当给压电振子上的压电陶瓷施加交变的激励,由于逆压电效应使压电陶瓷内部产生变形并表现为宏观的振动并迫使泵腔体积发生变化,进而引起腔内压强变化,从而实现流体的传输。现有的压电泵的研究方向主要以小型和微型泵为主,其优势在于能够精确的控制其输出流量和输出压力,多应用在生物医疗系统。但在某些场合,如计算机水冷,溶剂、药剂的配置等需要大流量的场合,小型泵并不能满足要求。已有的大流量泵存在成本高(如利用压电叠堆驱动的压电液压系统)、结构复杂以及体积较大的缺点,在某些不仅需要大流量,还对空间有限制的场合并不适用。本文以最常见、结构简单的圆形压电片为振子,设计并制作了结构紧凑且具有大流量的压电泵,并结合理论分析及实验对压电泵的性能进行了探讨。该压电泵所用的压电振子为成本低、结构简单的圆形双晶片复合压电振子,其压电陶瓷片的尺寸为Φ25 mm×0.2 mm,实验所用样泵的尺寸为42 mm×42 mm×12mm。实验测得所设计样泵在400 Vpp,410 Hz的正弦交流激励下,最大零背压泵水流量为1000mL/min,最大零流量泵压为20 kPa。本文主要研究内容包括：1、分别分析对比了不同振子形式、不同材料、不同激励方式的优缺点。2、根据薄板弯曲理论,结合复合压电振子的振动理论,分别对周边固定支撑、周边简支支撑及中心固定支撑条件下,双晶片圆形复合压电振子的模态及振幅进行了理论分析和仿真分析,并用激光位移传感器和阻抗仪分别测量对比了三种支撑方式下振子的最大振幅情况及振子的阻抗曲线。根据仿真结果,结合几何知识及MATLAB计算出上述三种支撑条件下,一个振动周期内,由压电振子振动引起的腔体体积变化。3、根据理论推导公式,结合仿真软件,分析了不同压电陶瓷尺寸、不同基板尺寸及不同激励对中心支撑式压电振子的振幅的影响。4、设计实现了振子中心固定支撑式泵的结构,为保证腔体密封性,同时又不约束振子周边变形,所设计的泵腔的直径略大于振子直径,且间隙间的膜结构在确保泵腔的密封的同时不约束振子的振动,通过实验验证了膜的引入对振子的振动影响很小,且仿真分析了不同间隙对振子振幅的影响；为改善压电陶瓷片上的应力分布,在振子与支撑柱间引入垫片。设计并制作了样泵,并测试了样泵的性能,包括不同的膜,不同的阀及不同垫片对泵的流量的影响,以及振子变形量、泵流量及泵压随激励频率和激励电压的变化关系。所设计样泵的尺寸为42 mm×42mmm×12mm,在412 Hz,400 Vpp交流激励下,零背压最大流量能达到1000mL/min,在频率为800 Hz,348 Vpp零流量最大泵压为20 kPa。利用应变片测试了压电陶瓷的应变片,并根据应力应变及流量分析了压电陶瓷的效率。5、实验对比了相同泵体结构和相同尺寸的振子的条件下,振子周边采用O型橡胶垫圈支撑的泵与振子中心固定支撑的泵的流量,并与现有的压电泵进行了对比。
【关键词】：压电泵 中间固定 双晶片 大流量 紧凑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH38
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 绪论15-41
• 1.1 引言15-16
• 1.2 压电泵概述16-17
• 1.3 压电泵的发展及现状17-38
• 1.3.1 国外压电泵的研究发展及现状17-28
• 1.3.2 国内压电泵的研究发展与现状28-38
• 1.4 本文的研究意义与主要工作38-41
• 第二章 圆形双晶片压电振子的优化设计41-63
• 2.1 振子的选取41-45
• 2.1.1 振子形式的选取41-42
• 2.1.2 压电材料的选择42-43
• 2.1.3 振子的激励方式的选择43-45
• 2.2 振子的支撑方式的优化45-55
• 2.2.1 理论分析45-49
• 2.2.2 ANSYS模态仿真分析49-51
• 2.2.3 静态分析51-53
• 2.2.4 动态分析53
• 2.2.5 振子的极限输出能力53-55
• 2.3 实验测量55-57
• 2.3.1 三种支撑方式下振子的振幅随频率的变化关系55
• 2.3.2 三种支撑方式下的振子的振幅随电压的变化关系55-56
• 2.3.3 压电振子的阻抗曲线56-57
• 2.4 影响振子振幅因素的探讨57-61
• 2.4.1 压电陶瓷片直径对振子振幅的影响58
• 2.4.2 压电陶瓷片厚度对振子振幅的影响58-59
• 2.4.3 铜基片直径对振子振幅的影响59-60
• 2.4.4 铜基片厚度对振子振幅的影响60
• 2.4.5 激励电压对振子振幅的影响60
• 2.4.6 激励频率对振子振幅的影响60-61
• 2.5 本章小结61-63
• 第三章 振子中心固定的压电泵的结构设计与研究63-79
• 3.1 振子的设计与制作63-65
• 3.1.1 中心固定式振子在泵结构中的实现63-64
• 3.1.2 泵膜的对振子振幅的影响64-65
• 3.1.3 压电陶瓷片的应力分析65
• 3.2 阀的设计与制作65-66
• 3.3 压电泵的结构设计及工作原理66-67
• 3.4 泵的性能的测试67-72
• 3.4.1 不同材料的泵膜对泵流量的影响68-69
• 3.4.2 不同厚度单向阀膜对泵流量的影响69
• 3.4.3 不同直径应力改善垫片对泵的流量的影响69-70
• 3.4.4 激励频率对泵的性能的影响70-71
• 3.4.5 激励电压对泵的性能的影响71
• 3.4.6 背压对泵的流量的影响71-72
• 3.5 压电陶瓷的效率分析72-75
• 3.6 泵的性能比较75-76
• 3.7 本章小结76-79
• 第四章 总结与展望79-83
• 4.1 研究结论79-80
• 4.2 本文的不足80
• 4.3 研究展望80-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-89
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果89

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