微小型主动阀压电泵的结构设计理论及控制系统的研究
发布时间：2020-11-18 06:30
压电泵是利用压电材料的逆压电效应,使压电振子产生变形,再由变形产生泵腔的容积变化,从而实现对流体定向驱动的新型微小泵。本文在总结了国内外压电流体泵研究的基础上,对其影响流量的参数进行仿真分析,而且进行了实验优化设计,设计并制作了三种压电泵,并且对单腔双主动阀压电泵、单腔双主动阀复合压电泵、双腔串联压电泵进行了实验对比测试,为主动阀压电泵的深入研究奠定了基础。同时也为提高压电泵的输出特性提供了一种新的方法。 根据不同压电驱动器的特点以及泵工作情况的要求,选择了适用于压电泵驱动的压电驱动器——圆形双晶片压电振子。基于克希霍夫的基本假设建立了双晶片压电振子的理论模型,利用Rayleigh-Ritz法求解,推导出的圆形双晶片压电振子的一阶弯曲振动的固有频率和动态位移模式函数,并得出圆形双晶片压电振子的固有频率以及在某一电场下的挠度,不仅与压电陶瓷片和金属基板的材料属性有关,而且与金属基板的厚度、压电陶瓷片的厚度、金属基板的直径、压电陶瓷片的直径有很大关系。 综合考虑压电泵结构的设计要求,确定了双晶片压电振子的尺寸,选用基板直径Φ35mm的压电双晶片,其压电陶瓷直径为Φ30mm,基板厚度0.1mm,陶瓷厚度0.3mm。选取了适宜驱动压电振子的波形信号并确定了90V为压电振子工作的适宜电压。找出了压电振子的振幅随电压、频率以及预紧力之间的关系,从理论上分析压电泵性能的影响因素,研究泵腔内流体的流动特性,改进泵体的结构;压电振子不仅是压电晶片驱动式主动阀的关键部件,而且还是压电泵的动力源,其振动状态决定压电晶片驱动式主动阀和压电泵的工作性能。利用有限元分析软件ANSYS分析了阀口厚度w和阀口开度hv对阀腔内流场分布和压强损耗的影响,为优化圆形单晶片驱动式为微小型主动阀的结构提供了依据。对影响流量的泵的关键参数进行优化,根据优化后的参数设计并制作了单腔体、双腔体及单腔双作用压电泵,并进行了实验对比分析,实验测试表明双作用压电泵可以有效提高压电泵的输出性能。 基于模块化的思想,分别介绍了其电源的选取以及单片机的分析与选择,并对其通信方式、接口标准等进行了分析,并自行设计了驱动电路和反馈电路,为其自动控制的实现提供了硬件支持;工作软件主要上位机(即PC机)程序和下位机(即单片机)程序,上位机软件程序用VS C#语言编写,下位机软件程序也用VS C#语言编写。上位机软件负责根据用户设定的参数以及下位机上传的振动反馈信号来发送控制指令给下位机;下位机软件则根据上位机下发的控制指令来控制硬件电路的工作,同时将采集的振动反馈信号传送给上位机。最后对该系统的各项性能指标进行了测试。经过多次实验和使用,证明该控制系统的各项指标可以满足对输送流量的精度要求较高的应用场合。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2010
【中图分类】：TH38
【部分图文】：
吉林大学博士学位论文适合于本课题研究的控制系统。主要功能是为了配合微小型压电泵的振动变形的需要，提供可以方便调节的电压、频率以及交变信号的相位差，利用上位机系统对压电振子的变化实时监控并能根据传感器的信号反馈来实现自动调整电信号的频率。最后对该系统的各项性能指标进行了测试。经过多次实验和使用，证明该控制系统的各项指标可以满足对输送流量的精度要求较高的应用场合。论文工作为微小型驱动系统的设计提供了新思路，为今后进一步的研究工作建立了基础。1.2 微小型压电泵研究概况1.2.1 微小型压电泵的发展概况双金属片
提供了新思路，为今后进一步的研究工作建立了基础。1.2 微小型压电泵研究概况1.2.1 微小型压电泵的发展概况图 1.1(a)热致动双金属微泵 图 1.1(b)相变热驱动微泵入口 出口双金属片泵室阀低压端 高压端流动方向循阀膜加热元微细管隔膜泵室 固定电极 泵膜片 泵室
微小型压电泵是以压电振子作为驱动器，在不同的电信号的激励下，产生不同的变形，这种压电驱动器本身是一个精度很高、体积很小的陶瓷材料，在受到电信号的激励时，能够快速的回应并能准确表达。因此它能更好的控制流量的输出。另外，由于压电泵将驱动件、传动件和执行件这三个元件做为一个整体，其磨损程度也有所降低。并且它消耗的能量较少，不受电磁的干扰，再加上压电晶片是比较薄的驱动振子，能引起较大的腔体变化。因此使得压电泵在很多前沿领域得到了广泛的应用[35-38]。1.2.3 微小型压电泵的种类微小型压电泵的工作原理就是压电振子在给定的交变电流的信号激励下，发生了逆压电效应，再通过其变形引起腔内的体积变化实现流体的输出。那么对其分类的标准也是说法各一。目前根据压电泵的研究及应用情况，压电泵可以分为压电超声泵和压电薄膜泵两大类，而压电薄膜泵根据有无阀可以分为有阀压电泵和无阀压电泵两种，而有阀压电泵又可分为被动阀压电泵和主动阀压电泵。压电泵的分类如图 1.2 所示。
【引证文献】
本文编号：2888419
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2010
【中图分类】：TH38
【部分图文】：
吉林大学博士学位论文适合于本课题研究的控制系统。主要功能是为了配合微小型压电泵的振动变形的需要，提供可以方便调节的电压、频率以及交变信号的相位差，利用上位机系统对压电振子的变化实时监控并能根据传感器的信号反馈来实现自动调整电信号的频率。最后对该系统的各项性能指标进行了测试。经过多次实验和使用，证明该控制系统的各项指标可以满足对输送流量的精度要求较高的应用场合。论文工作为微小型驱动系统的设计提供了新思路，为今后进一步的研究工作建立了基础。1.2 微小型压电泵研究概况1.2.1 微小型压电泵的发展概况双金属片
提供了新思路，为今后进一步的研究工作建立了基础。1.2 微小型压电泵研究概况1.2.1 微小型压电泵的发展概况图 1.1(a)热致动双金属微泵 图 1.1(b)相变热驱动微泵入口 出口双金属片泵室阀低压端 高压端流动方向循阀膜加热元微细管隔膜泵室 固定电极 泵膜片 泵室
微小型压电泵是以压电振子作为驱动器，在不同的电信号的激励下，产生不同的变形，这种压电驱动器本身是一个精度很高、体积很小的陶瓷材料，在受到电信号的激励时，能够快速的回应并能准确表达。因此它能更好的控制流量的输出。另外，由于压电泵将驱动件、传动件和执行件这三个元件做为一个整体，其磨损程度也有所降低。并且它消耗的能量较少，不受电磁的干扰，再加上压电晶片是比较薄的驱动振子，能引起较大的腔体变化。因此使得压电泵在很多前沿领域得到了广泛的应用[35-38]。1.2.3 微小型压电泵的种类微小型压电泵的工作原理就是压电振子在给定的交变电流的信号激励下，发生了逆压电效应，再通过其变形引起腔内的体积变化实现流体的输出。那么对其分类的标准也是说法各一。目前根据压电泵的研究及应用情况，压电泵可以分为压电超声泵和压电薄膜泵两大类，而压电薄膜泵根据有无阀可以分为有阀压电泵和无阀压电泵两种，而有阀压电泵又可分为被动阀压电泵和主动阀压电泵。压电泵的分类如图 1.2 所示。
【引证文献】
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4 贺文元;基于脉动消除的压电泵高精度闭环控制方法研究闭环控制方法研究[D];苏州大学;2014年
本文编号：2888419
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