基于振动滤波器的压电泵研究

发布时间：2017-12-18 09:28

本文关键词：基于振动滤波器的压电泵研究

【摘要】：压电泵具有结构紧凑、易于微型化、功耗低、效率高、功率密度高、控制精度高、响应速度快、噪声小等许多优点,受到国内外研究人员的广泛关注,并且在生物医疗、化学分析、微电子设备、机器人、航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而目前压电泵的实际输出功率和工作效率普遍较低,造成这一现状的主要原因是目前压电泵的有效工作频率较低,无法发挥压电材料在高频下工作功率密度高的优势。为此,本论文结合压电致动器的输出特性,从典型压电容积泵的工作原理出发,提出液体动态负荷是阻碍压电泵有效工作频率进一步提高的主要因素;而通过引入振动滤波器阻隔泵腔内外液体的刚性连接的方式可以大大减轻高频下压电致动器推动液体的动态负荷,进而提高压电泵高频工作时的有效输出和工作效率。本论文对液体动态负荷和振动滤波器模型进行了理论分析和实验研究,并将其应用于一种全新设计的U形压电谐振泵中,得到了结构紧凑、制作方便、工作可靠、性能突出的压电泵原型机。本文的主要工作和结论如下:提出高频下液体动态负荷是阻碍压电泵工作频率进一步提高的重要因素。首先从压电堆栈推动液体振动的模型出发推导出液体动态负荷的计算公式,得到液体动态负荷及其等效刚度与振动频率的平方及液体质量成正比的规律,并分析指出高频下液体动态负荷将大大限制压电致动器的输出位移和输出功率。然后结合压电容积泵的实际结构,进一步分析了液体动态负荷在不同横截面积的管路中传递的关系,得到作用于压电致动器的总液体动态负荷只与泵腔横截面积及管路的总长度成正比;联系压电泵的工作过程,指出压电泵中液体流速包含直流成分和交流成分,其中直流成分是需要的泵输出流量,而引起动态负荷的则是不需要的高频交流分量。采用类比线路图的方法得到液体质量可类比为电路中的电感性元件,其在高频下会降低压电致动器驱动负载的功率因数,使压电致动器的驱动性能无法被充分利用。在充分认识压电泵中液体动态负荷的基础上,提出采用振动滤波器阻隔泵腔内外液体的刚性连接、平滑阀外液体流动的高频分量,从而减小压电泵中液体流动的高频动态负荷的方法。以弹簧一阻尼器建立振动滤波器的力学模型,从理论上分析了振动滤波器对阀外液体高频振动的衰减作用,得出当振动滤波器的弹簧刚度足够小时,泵内液体动态负荷仅由泵腔内液体引起,从而可以大大减轻作用于压电致动器的液体动态负荷,使其高频驱动性能可以有效发挥出来。提出两种在压电泵中构造振动滤波器的方法,即通过气体腔或柔性薄膜的方式构造振动滤波器,并从力学上分析了它们等效为弹簧时的弹性特性。同样采用类比线路图的方法得到振动滤波器可类比为电路中的电容性元件,它的加入既可以构成低通滤波器衰减高频振动,又与所需驱动的液体质量(类比为电感性元件)并联从而可以提高压电致动器驱动负载时的功率因数。设计对比实验测试了振动滤波器对压电容积泵输出流量的改善作用,从而验证了振动滤波器可以减轻压电泵中液体高频动态负荷,提高压电泵高频下有效输出的理论。设计并搭建了压电容积泵的实验测试平台,采用自制的基于压电堆栈的钹形压电致动器作为驱动元件,分别对不加入振动滤波器的容积泵和加入振动滤波器的容积泵输出流量的频率特性和电压特性进行测试,通过对比得到加入振动滤波器后容积泵的输出流量有了明显提升,在200～500Hz的非谐振工作频段,最大输出流量可提高10%～50%。将柔性薄膜振动滤波器应用于全新设计的基于U形压电振子的谐振式压电容积泵,从而开发出了一种结构紧凑、性能卓越的压电泵系统。该泵系统主要包括两个部分:一种全新设计的U形压电振子和两个加入柔性薄膜振动滤波器的容积泵。利用有限元方法研究设计了可用于驱动容积泵的U形压电振子,其具有结构对称、压电陶瓷片表面应变分布均匀等特点,从而具有很高的驱动性能;而在容积泵中加入柔性薄膜振动滤波器结构,则可以最大程度发挥该U形压电振子的驱动特性。加工制作了 U形压电谐振泵的样机,压电泵的整体尺寸为30 mm× 37mm× 72.5 mm,并对其动态特性和主要输出性能进行了实验测试。实验结果表明,当激励信号为峰峰值300 Vpp的的正弦电压时,该谐振式压电泵在312 Hz的工作频率下输出流量达到最大值,最大流量超过1660mL/min;另外当激励频率为345 Hz时泵的输出背压达到最大值,约为85 kPa。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH38;TN713

【参考文献】

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