压电悬臂梁负载阻抗匹配分析及其在隔膜泵驱动中的应用

利用悬臂梁结构的不同位置作为对外激励源时，为了使负载获得更多的能量，使悬臂梁的能量输出达到最优，同时隔膜泵的流量输出达到最大，实现隔膜刚度最佳匹配的目的，提出了一种压电驱动悬臂梁结构的负载阻抗匹配概念，研究了隔膜泵的性能与悬臂梁结构对外输出刚度之间的关系。首先，选取悬臂梁结构的根部、中部和端部3个特征位置，利用有限元仿真软件，对悬臂梁-弹簧-质量块模型的能量输出进行了阻抗匹配分析；其次，选取隔膜容积泵作为驱动负载，根据其结构及工作原理，建立了压电悬臂梁驱动隔膜容积泵的简化动力学模型，分析了隔膜泵的性能与悬臂梁驱动结构参数之间的关系；最后，搭建了压电悬臂梁驱动隔膜泵的刚度匹配实验平台，对不同圆盘直径下，悬臂梁不同特征位置处的隔膜泵输出流量进行了测试。研究结果表明：在悬臂梁根部、中部以及端部位置处，隔膜泵输出流量最大时的活塞圆盘直径分别为20 mm、18 mm以及16 mm,随着悬臂梁不同位置对外输出刚度的减小，隔膜匹配的最佳刚度应随之减小；若悬臂梁结构与负载参数一定时，对应的最佳负载匹配刚度逐渐增大。