刚柔结构仿尾鳍压电双晶片无阀泵的实验研究

利用结构的摆动振动驱动流体单向流动,和传统的利用结构的不对称性形成泵功能的无阀流体驱动原理相比,具有更易于微小型化、效率高、流动脉动小、无回流等优势,而仿尾鳍振子端部的柔性尾鳍结构是高效泵水的关键部件。首先,通过无流量的压差测量法测得了柔性尾长在2~18mm范围内压差峰值随频率的变化关系;其次,利用激光多普勒测振仪测得了摆动振子在水中的振动模态,与压差实验结果进行了对比分析,确定了压差峰值与振子振型的对应关系;最后,通过对振子的分解,讨论了柔性尾鳍与振子主体部分的耦合关系,解释了最佳工作振型在振子主体部分二阶弯振附近波动的现象。结果表明:摆动振子工作在近似无限水域中,前3阶弯振均可测得压差;柔性尾长为4mm和6mm时,压差达到最大值55mm;不同柔性尾长的摆动振子取得最大压差时的工作频率,在无柔性尾鳍振子的二阶弯振模态频率附近波动。     

压电双晶片和单晶片驱动下泵的输出性能研究

为从理论上获得压电泵在薄片型压电双晶片和单晶片(统称压电振子)驱动时的输出流量关系,需要获得二者振动时产生的容积变化量。假设压电振子在周边固定约束条件下,应用弹性薄板的小挠度弯曲变形理论,推导了压电双晶片和单晶片振动时的容积变化方程,并根据方程对铜基板直径为35mm,压电陶瓷直径为29mm,基板和压电陶瓷厚度同时为0.2mm和0.3mm 2种规格的压电单晶片和双晶片进行了振动容积计算。计算结果显示,相同基板和陶瓷厚度的双晶片振动产生的容积变化量是单晶片的2.3倍。将上诉压电振子应用到单腔压电泵上进行输送气体流量测试,获得的实际输出流量比在1.5~2倍之间,理论计算结果与试验测试结果比较接近。理论推导结果为比较双晶片和单晶片驱动下压电泵的输出能力提供了可靠依据。     

压电双晶片直接驱动式伺服阀的研究

提出一种利用压电陶瓷片直接驱动的伺服阀,其具有高于传统电磁式伺服阀的频宽与分辨率,该伺服阀的机械结构简单,抗干扰能力强。分析了双压电晶片的静、动态特性,制造了双晶片直接驱动式伺服阀样机。     

仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵的结构设计

受具有高速巡游速度的金枪鱼的启发,提出了一种微脉动、大流量、仿尾鳍变截面振子无阀压电泵。以压电叠堆为激励源,设计了仿尾鳍变截面振子,实验验证了振子的二阶弯振和金枪鱼高速巡游的摆动模式一致。利用有限元分析软件ANSYS分析了振子的模态振型,提出了模态分离更好的Y型振子。为避免压电叠堆受力不均匀而受到损坏,采用钢球和隔离块作为压电叠堆传递力和振动的媒介,实现了压电叠堆和泵腔内液体的干湿分离。设计了二级杠杆/柔铰机构,放大了振子端部柔性叶片摆动幅度。最后,研制了样机,并进行了不同驱动频率下的仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵的流量测量,结果表明,在80V正弦电压的激励下,激励频率为1 350Hz时泵的流量达到峰值(400ml/min)。本设计方案能够有效地提高泵的性能,满足工程实践中对大流量无阀压电泵的需求。     

压电双晶片传感器灵敏度特性分析

文中用模态分析法详细分析了压电双晶片力、振动、粗糙度传感器的位移特性及灵敏度特性,并给出了灵敏度与压电材料参数及晶片几何尺寸的关系。     

压电双晶片的有限元分析及实验

采用有限元分析方法,分析了压电双晶片悬臂梁的位移形变特征.研究了金属弹性层、压电陶瓷片的材料属性及几何尺寸对双晶片偏转位移的影响;计算了双晶片的弹性模量、厚度以及加载电压与位移形变产生弯应力的关系;通过位移测试、弯应力测试等相关实验对有限元分析进行了验证.当加载电压为60 V(120 Vp-p)时,双晶片的偏转位移和弯应力分别为166/μm和34.7 m·N,实验结果证明本文所建的有限元模型是合理有效的.此外,测试了压电双晶片的振动特性,测得其谐振频率为310 Hz,在该频率下加载20 Vp-p电压,其端部位移输出即可达1.7 mm.有限元分析结果及实验验证为压电双晶片结构的优化设计提供了依据.     

压电驱动式双喷嘴挡板电液伺服阀

设计了一种利用压电双晶片驱动器代替传统双喷嘴电液伺服阀力矩马达驱动部分的新型电液伺服阀,以期改善现有该型阀的动、静态特性。通过试验得出,设计的压电双晶片驱动器输出位移为82.5 μm,全量程位移波动小于0.7 μm,谐振频率1.2 kHz,完全满足双喷嘴电液伺服阀对驱动器的要求。试验表明:基于此驱动器的电液伺服阀在频率低于100 Hz的范围内具有良好的线性度,克服了传统双喷嘴电液伺服阀在频宽和抗电磁干扰能力等方面的不足。     

基于压电双晶片的风速辨识系统

为了感知飞行器外部流场,间接获得航速和姿态角等飞行参数,提出了一种基于压电双晶片阵列的风速辨识集成部件。在尽可能减小空气动力学特性影响的情况下,设计了一种双晶片两轴对称的飞行器头部风传感实物模型,由4片双晶片阵列组成。首先,在风洞实验中采集单片双晶片的感应电信号,经过电荷放大器、NI数据采集卡与Labview虚拟仪器分析软件,利用最小二乘法获得各自压电双晶片的感应电压(均方根值)与风速(矢量)之间的函数关系;其次,建立风速辨识集成部件的双变量(风速大小与风向角)传感函数模型,由此反求风速大小和方向。实验结果表明,所设计的风速辨识压电集成部件在风洞内可实现风速的二维测量,采样时间为5s时,其传感精度在3%(风速大小)和3°(风向角)以内,最高分辨率可达0.5%(风速大小)和0.55°(风向角)。此应用于飞行器上的风速辨识集成部件可以快速感知风速大小和方向,其传感函数模型的精度满足外部环境风速辨识的要求,为今后飞行器传感系统集成化与小型化奠定理论与实验基础。     

声控无阀压电喷流泵

提出了一种声控无阀压电喷流泵,利用声控电路控制压电泵开启、关闭并控制其喷流状态,实现了无需信号发生器而直接驱动压电泵工作.阐述了声控电路没计结构和工作机理,设计并加工了声控振荡电路和声控开关电路板,并与无阀压电喷流泵匹配进行了系统调试.实验结果表明:压电泵喷流状态随外界声音频率、振幅变化而变化,声音频率越高、振幅越大,压电泵喷流高度增高,出水量增大;当声音频率与压电泵基频产生共振时,压电泵达到最佳喷流效果.     

压电双晶片型2自由度精密驱动器的动态特性

研制以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片为驱动单元的新型惯性冲击式2自由度精密驱动器.建立基于Karnopp摩擦模型的驱动器动力学模型,对驱动器动态特性进行仿真分析和试验对比研究.提出压电双晶片型惯性冲击式精密驱动器特定的定频调压驱动方法.仿真分析结果和试验结果吻合较好,表明该动力学模型符合驱动器的动态特性,可用于对压电双晶片型惯性冲击式2自由度精密驱动器的理论分析.     

一种仿生型无阀压电泵

针对传统的容积型流阻差式无阀压电泵具有吸入周期和排出周期,存在着流动脉动大、流量小的问题,提出一种新型的鱼鳍摆动式无阀压电泵。模仿在鱼类中巡游速度最快的金枪鱼的鱼体结构,设计了压电双晶片结构的压电振子,并将其尾鳍设计成柔性叶片状。分析了压电双晶片结构悬臂梁的受力变形、模态振型在机电转换效率方面的关系。研制了泵的样机并测量了激励电压在100 V时泵的流量。实验结果表明:振子工作在1阶振型时,泵水效应不明显;振子工作在2阶振型时,谐振频率为740 Hz,泵的流量为266 mL/min;振子工作在3阶振型时,谐振频率为1 280 Hz,泵的流量为105 mL/min。     

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。     

微型无阀泵的数值仿真与参数设计

介绍了无阀型微泵的特点及其工作原理，针对无阀微型泵收缩/扩散口的流动特征进行了数值分析，得出了流量，压力的分布特征和关系曲线，分析了收/扩散口的几何参数对泵的输出性能的影响，采用CFD（Computational Fluid Dynamics)技术对泵内流体进行了有限元仿真，并将仿真与计算结果进行限分析比较。     

3D打印的锥管坡面腔底无阀压电泵

为提高无阀压电泵的流量特性和解决泵加工工艺性差的问题,研制出了锥形流管坡面腔底无阀泵。首先,提出并设计了锥形流管坡面腔底无阀泵,分析了该泵的工作原理;然后,利用ansys软件对泵腔内流场做了模拟分析,分析结果表明该泵具有传输流体的能力;最后,利用3D打印技术制作了锥形流管坡面腔底无阀泵,并对泵的频率-流量特性进行了试验,驱动频率为8Hz时,锥形流管坡面腔底无阀泵的流量达到最大值26.8ml/min,比相同尺寸坡面腔底无阀压电泵在相同驱动电压条件下输出的最大流量增加了18.6%。试验结果表明,锥形流管坡面腔底无阀泵的流量特性优于坡面腔底无阀压电泵,且采用3D打印技术制作压电泵,提高了泵加工的工艺性,缩短了加工周期,降低了加工成本。     

无阀控自配流液压冲击器系统建模与仿真

提出一种新型无阀控自配流液压冲击器,分析了它的结构原理及特点。分别建立了冲击器回程和冲程时的数学模型;运用AMESim建立仿真模型并进行动态仿真,根据仿真曲线详细分析了系统供液流量及氮气腔初始充气压力对冲击器工作性能的影响。结果表明:在氮气腔初始充气压力一定时,供液流量必须达到一定值才能启动冲击器,在一定范围内,会出现使冲击性能最佳的流量值;当供液流量一定时,氮气腔初始充气压力较低时,冲击能和冲击效率较低;充气压力过高时,冲击器无法开启。该冲击系统在供液流量为75L/min、氮气腔初始充气压力为2.0MPa时,冲击性能最佳。     

用于微量化学分析芯片的微型无阀泵流动特性分析与测试

从理论计算、流场仿真和试验三方面研究了用于微流控化学分析芯片的微型无阀泵流动特性 ,初步建立了微型无阀泵流道结构的数学模型 ,重点讨论了结构参数的选取原则及相应的流动阻尼系数的计算方法 ,采用 Matlab针对该数学模型进行了数值计算 ,并进行了 CFD仿真对计算结果进行对比及修正 ,最后通过试验验证了数值计算与仿真的可靠性 ,为微型无阀泵参数化设计及优化提供了理论依据及经验曲线。     

压电驱动器激励的触觉显示器结构设计及有限元分析

本文针对表面纹理质地触感再现,借助有限元软件ANSYS11.0,设计了压电驱动器激励的触觉显示器。利用压电陶瓷的逆压电效应,在压电双晶陶瓷片上下表面施加稳态正弦激励电压,激发整个装置共振;调节电压的峰峰值和频率,激发出不同的振动模式以得到不同的振动响应,从而产生不同的触感。根据粗糙度的定义证实了装置的可行性,为最终研制出一种组合式、高密度、可独立精确控制各振子振动模式的触觉显示器装置提供了可靠的依据。     

流线形流管无阀压电泵的仿真与实验

基于现有无阀压电泵输送活体细胞或者长链功能性高分子时依然存在输送破坏与缠绕失性等缺点,提出了一种流线形流管无阀压电泵,研究了4组不同角度的流线形流管无阀压电泵的输出性能.首先,阐述了泵的结构及工作原理,建立泵的流量表达式;其次,采用Fluent流体分析软件对β角度分别为10°,15°,20°和25°的流管组成的无阀压电...     

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...     

柔性尾长对尾鳍式压电泵的影响

为克服传统的容积型无阀压电泵存在的流动波动大、有回流、泵水能力差等通病,提出并设计模仿鱼尾摆动的无阀泵,并针对具有柔性尾鳍的变截面摆动子进行研究。在研究巡游速度最大的金枪鱼尾鳍摆动的基础上,设计具有柔性尾鳍的变截面摆动子;基于有限元分析软件ANSYS进行摆动子在水中的谐响应分析,提取不同长度的柔性尾鳍工作在二阶谐振下的端部振幅,分析表明,摆动子端部振幅对泵的理论流量影响较大;利用电荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)激光位移传感器对摆动子的端部振幅进行测量,柔性尾鳍长度为5 mm时,摆动子的二阶弯振端部振幅达到0.4 mm,端部振幅随柔性尾鳍长度变化的趋势和ANSYS分析结果一致;对泵进行试验研究:在60 V的电压的激励下,柔性尾鳍长度为5 mm时,泵的压差达到78 mm。研究表明,在摆动子的其他结构参数一定的情况下,泵的性能对柔性尾长较为敏感,并存在最优的柔性尾鳍长度值。