泵用压电振子动态特性的研究

为了提高压电泵的效率、优化压电泵的结构,对泵用压电振子的动态特性进行了研究。介绍了一种新型压电泵——Y形流管无阀压电泵的结构和工作原理;对Y形流管无阀压电泵压电振子的振动状态进行了理论分析,得到了压电振子的固有频率及最大振幅的理论计算公式,并证明了理论分析结果的正确性;根据理论分析结果,对压电振子几何参数和基底层材料对其振动特性的影响进行了分析讨论。分析结果表明：压电振子的PZT层与基底层的直径比应在0.75左右,厚度比应小于1;基底层材料对频率影响较大,但对最大振幅影响较小。     

泵用两叠片圆形压电振子的弯曲振动分析

为提高微型压电泵的输出能力,采用瑞利法对固定边界条件下两叠片压电振子进行了理论研究。以压电晶片与金属基板的厚度比α、直径比β(称结构参数)为变量,推导出了压电振子谐振频率及有效机电耦合系数的计算方法。通过编程计算即可获得压电振子的有效机电耦合系数和谐振频率,进而优选压电振子的结构参数。以日本产压电振子为例进行了谐振频率的计算,并与阻抗分析仪的测试的谐振频率进行了比较,二者比较接近。研究结果表明,结构参数的变化对压电振子的谐振频率和机电耦合系数影响较大,当结构参数α、β分别为0.3和0.6时,压电振子的最大有效机电耦合系数为0.52。     

双作用压电泵绝缘压电振子的研究

为了提高压电泵的工作效率,提出了对压电泵中的动力元件-压电振子进行特殊绝缘处理,使压电振子在两个方向弯曲变形时都可以形成输出工作能力,即双面作用的绝缘压电振子。阐述了由一个绝缘压电振子形成两个工作腔体的双作用压电泵结构。根据小挠度弹性弯曲理论导出了绝缘圆形复合压电振子的弹性曲面微分方程,阐述了绝缘处理方案和过程,并对其绝缘特性进行分析。对绝缘压电振子进行了实验测试,实验结果表明：双作用绝缘压电振子不仅具有绝缘特性,而且具有良好的韧性和强度;其击穿电压比未绝缘处理压电振子的击穿电压提高了20～30V。为相关产品开发和科研提供了一种新型双面作用的压电驱动元件。     

双作用压电泵绝缘压电振子

提出了对压电泵中的动力元件-压电振子进行特殊绝缘处理的方法,使压电振子在两个方向弯曲变形时都有输出工作能力,形成双面作用的绝缘压电振子.阐述了由一个绝缘压电振子形成两个工作腔体的双作用压电泵结构.根据小挠度弹性弯曲理论导出了绝缘圆形复合压电振子的弹性曲面微分方程,阐述了绝缘处理方案和过程,并对其绝缘特性进行了分析.对绝缘压电振子进行了实验测试,实验结果表明:双作用绝缘压电振子不仅具有绝缘特性,而且具有良好的韧性和强度,其击穿电压比未经绝缘处理的压电振子的击穿电压提高了20～30 V.     

弯曲摆动无阀式压电泵理论分析与模拟

设计一种新型弯曲摆动无阀式压电泵,并对其进行理论分析,根据压电泵的尺寸、结构和动力学模型,对压电振子的位移响应进行分析;采用有限元分析的方法利用该公式函数对弯曲摆动式无阀压电泵进行仿真分析,得到该压电泵的内部流场特性,得到该压电泵出入口流速和内部压强的变化情况.对本文压电泵输出流量与频率的关系进行分析,结果表明:压电泵在工作频率在左右达到最大输出流量,具有较好的输出流量特性.     

单振子双腔体无阀压电泵结构设计与机理分析

提出了一种单振子双腔体无阀压电泵,应用小挠度弹性弯曲理论导出了圆形复合压电振子的弹性曲面微分方程,分析了采用一个压电振子形成两个工作腔体压电泵的结构和工作机理,并与单振子单腔体压电泵对比分析了该结构与输出流量的关系。设计研制了结构独特、输出性能更高的单振子双腔体无阀压电泵,通过试验表明:单振子双腔体无阀压电泵比单振子单腔体无阀压电泵输出流量有明显提高。     

双腔薄膜阀压电泵的实验研究

实验研究了理论所不能解释的多种因素对双腔压电泵输出流量的影响规律。选取了一种高效的橡胶薄膜阀片,设计并制作了具有较高输出能力的双腔泵样机。120 V交流信号下,双腔串联压电泵最佳工作频率为180 Hz,输出参数为520 ml/min、22 kPa;双腔并联压电泵最佳工作频率为420 Hz,输出参数为980 ml/min、28 kPa。通过实验确定了双腔压电泵的最佳腔体高度及双腔串联、并联压电泵压电片的最佳驱动方式。     

一种新型单腔双振子压电泵的结构设计和性能试验

为优化单腔双振子压电泵的结构,提高输出性能,设计了一种新型结构的单腔双振子压电泵。将新设计结构同前期设计结构进行了比较,并对两种结构的试验样机进行了输出流量测试。试验显示,新结构的输出流量是前期结构输出流量的2倍,最大流量可达800mL/min。将新结构加工了不同腔体初始容积样机,得到了压缩比对泵输出性能的影响。试验发现,当腔体高度为1.2mm,工作时的压缩比为1/46,此时单腔双振子压电泵整体输出效果最好。分析了单腔双振子压电输送液体和气体时工作特点,得到泵输送液体介质时最佳工作频率点远远低于输送气体介质。     

“V”型管无阀压电泵用双压电复合振子的振动性能分析

该文介绍了"V"型管无阀压电泵及其所采用的振子的结构.通过建立双压电复合振子的有限元模型,分别对其进行静力学分析与模态分析,研究了不同的基底材料以及结构参数对双压电复合振子的振幅以及谐振频率的影响.所得到的结果为"V"型管无阀压电泵的优化改进提供了参考依据.     

单腔体压电泵输出性能分析

为验证理论上计算得到单腔体压电泵输出能力的准确性,将应用理论公式计算得到的单腔压电泵的输出流量与输出压力值与试验获得的结果进行比较。结果显示,在(40~400)Hz工作频率范围内,当单腔体压电输送液体水时,在小于第一个最佳工作频率点100Hz工作时,由理论公式计算获得输出流量与试验测试结果比较接近,输出流量和工作频率成很好的线性关系,而当工作频率大于第二个最佳工作频率点160Hz时,二者比较相差很大,理论计算公式不能准确计算压电泵的实际输出;试验获得输出压力值为理论计算压力值的(4~5)倍。当输送气体空气时,在输出流量方面二者比较接近,在最佳工作频率点附近工作时压电振子会发生共振,使实际输出流量大于理论计算结果;在小于输出流量最佳工作频率点220Hz工作时,实际输出压力值与理论计算值比较接近。     

Research on the valveless piezoelectric pump with Y-shape pipes

A piezoelectric pump with its Y-shape elements is presented. Two Y-shape pipes are fixed outside the chamber serving as an inlet and outlet, with the chamber and a piezoelectric vibrator being the actor. The pump has the potential to be miniaturized and integrated. Eddies occurring in the Y-shape elements are smaller, which is beneficial for the transport of living cells or long-link macromolecules. In this paper, the structure of the pump is first presented. Then, the equations on the change in volume and the mean pressure in the chamber are established, as well as the relation between the flow rate and the working frequency of the piezoelectric vibrator. Moreover, the relation between the mean pressure in the chamber and the working frequency of the piezoelectric vibrator is established. Finally, experiments are carried out to test the characteristics of the pump and to verify the correction of the theory on this pump.     

压电振子及流体对泵近场噪声的影响

研究了压电振子的弯曲振动形变及振动辐射噪声.首先建立压电泵压电振子振动方程,导出弯曲振动形变函数;提出用微平面活塞振动理论简化压电振子振动模型,推导了近场声压理论计算方程及泵内流体对泵噪声贡献量方程;最后把理论计算结果与试验结果进行比较分析,分别得出在不同频率下压电振子及泵内流体对泵噪声贡献的大小.在输入频率为50 Hz时,泵噪声的理论值为45 dB,实际值为37 dB,泵内流体对泵噪声的影响较大,实际值与理论值的相对误差为21.6%;在输入频率为120 Hz时,泵噪声的理论值为61 dB,实际值为62 dB,泵内流体对泵噪声的影响较小,实际值与理论值的相对误差为1.6%,证明了本研究所提出理论的正确性.     

四腔并联压电泵结构设计

为提高压电泵的输出性能,设计了一种层叠型四腔并联有阀压电泵。在80 V正弦交流电驱动下,40~400 Hz工作频率内,以水和空气作为介质,分别选用不同数量的压电振子进行驱动,在不同的驱动方式(指振子间工作时的相位差)下对泵的输出性能进行试验测试。结果显示,当泵送空气时,不管多少个振子进行驱动,驱动方式对泵的输出流量几乎不产生任何影响,在测试频率范围内,输出流量随频率成线性变化,最大输出气体流量可达3600 mL/min;当泵送液体时,驱动方式对泵的输出流量影响很大,当同侧的压电振子为异步驱动时,输出流量的效果更好,在工作频率180 Hz时,最大输出液体流量可达830 mL/min。试验结果为多振子驱动压电泵选择合适的振子间驱动方式提供了参考依据。     

钹型开槽式阀压电泵的设计

由于有阀压电泵内部阀体所受应力过大易导致阀体失效,本文提出了钹型开槽式截止阀来减小有阀压电泵内部阀体所受应力。基于钹型开槽式截止阀设计了有阀压电泵,分析了钹型开槽式阀压电泵的工作原理。对钹型开槽膜片进行了受力分析,研究了该压电泵的输出性能及耦合作用下的膜片应力。加工制作了钹型开槽式阀压电泵样机,建立了钹型开槽式阀压电泵的有限元模型,数值计算了流固耦合作用下的阀体应力值。计算结果表明:在压电泵正常输出的驱动频率范围内,当驱动频率为418Hz时,膜片所受应力的计算值也达到最大,为81.74 MPa。最后,进行了压电泵性能试验。试验结果显示:该压电泵的输出流量最大值和振子振幅最大值均出现在低频段;当驱动电压为160V,驱动频率为5Hz时,输出流量达到最大,为6.6g/min;驱动频率为4Hz时,压电振子振幅达到最大,为165.8μm。文中的研究验证了钹型开槽式阀体压电泵的有效性,并得出当钹型开槽式阀压电泵工作在低频段时,阀门所受应力远小于高频段时阀门的应力值。     

非对称分叉流管无阀压电泵的设计及试验

具有微混合功能的多级Y型流管无阀压电泵存在着输出流量与振子带载能力不平衡的问题。为此,提出了一种非对称分叉流管无阀压电泵。首先,理论分析了该无阀压电泵输出流量与流管流阻间的关系;其次,利用有限元软件数值计算了多级Y型流管的流阻特性;最后,采用光固化快速成型技术加工了样机,并进行了泵特性试验和振子振动测试。试验结果表明：在峰峰值200 V正弦波交流电驱动下,该压电泵的流量、扬程和压电振子的振幅都随驱动频率增加呈现先增大后减小的趋势;当驱动频率为31 Hz时,最大流量为4 g/min;驱动频率为38 Hz时,最大扬程为40.5 mmH2O。在试验施加电压范围内,该泵的输出性能与驱动电压呈正相关性。本研究验证了非对称流道树型无阀压电泵的可行性,为非对称无阀压电泵在微流道滴灌和微混合等领域的应用提供了参考。     

磁力弹簧式压电共振型气泵的设计

利用压电振子的振动激励相连接的隔膜共振原理,提出了用磁力弹簧式压电共振型气泵来提高压电泵对气体的驱动能力.首先,分析磁力弹簧式共振泵的工作原理,建立了共振泵的动力学模型,计算得出了影响隔膜振幅的主要因素.接着,设计和制作了样机,使用阻抗分析仪和激光位移计分别测得系统的共振频率及压电振子的位移放大倍数.最后,设计了测量共振泵流量和输出压力的实验装置,得出了磁力弹簧轴向间距对输出流量和输出压力的影响.实验测试表明:当输入正弦电压为200 V,系统共振频率为134 Hz,磁力弹簧的轴向间距为9 mm时,压电振子的位移放大倍数约为4.3,其最佳输出流量为524 ml/min,最佳输出压力为9.2 kPa.结果显示,提出的磁力弹簧式压电共振型气泵提高了气体的输送能力.     

轴向出流的单腔压电泵结构设计与性能研究

为提高压电泵的输出性能,设计了一种新型轴向出流的单腔有阀压电泵。泵体结构主要由3部分构成,即固定压电振子的上盖、带有腔体结构和被动截止阀的中间体及起压紧和密封作用的下盖。轴向出流的单腔压电泵的结构是将进口阀安装在圆柱形腔体的中心位置,保证进口管的轴线与压电振子垂直,出口阀安装在泵腔外,通过导流槽与泵腔连接,形成轴向进出流方式。将轴向出流的单腔压电泵和早期设计的侧向出流压电泵进行输出性能测试,试验发现,在低频工作阶段,侧向出流的单腔压电泵输出效果要略高于轴向出流,在高频工作阶段,后者要高于前者,而在整个40~400 Hz测试范围内,后者输出的液体压力都要高于前者。     

非对称坡面腔底无阀压电泵

提出了一种新型的非对称坡面腔底无阀压电泵,这种泵巧妙地利用了泵腔内部的空间,将泵腔底部沿吸入口和排出口方向设计成非对称坡面形状,非对称坡面腔底与压电振子之间形成非对称交替排列的一组锥形流道.当泵工作时,使流体产生单向流动,从而可以不再需要传统的锥形流管;建立了这种泵关于平均值的流阻系数与泵流量关系的力学模型,并利用该模型分析了泵的工作原理;最后制作了非对称坡面腔底无阀压电泵,利用试验证明了上述理论的正确性.试验用泵采用的工作电压为220 V,工作频率为50 Hz,压电振子有效直径为30 mm,当非对称坡面的倾角差为70°,工作介质为水时,泵产生了4.67 mm水柱的压差.