【摘要】：壓電隔膜泵輸送液體精度高且響應速度快,其自身結(jié)構(gòu)緊湊易實現(xiàn)微型化,具有廣闊的市場應用前景。傳統(tǒng)的壓電隔膜泵利用與泵體周邊密封安裝的壓電振子直接驅(qū)動流體工作,而周邊夾持的安裝方式會限制壓電振子的變形,使壓電隔膜泵很難獲得較大的泵腔容積變化量。共振原理的應用為提高壓電隔膜泵泵腔容積變化量提供了解決方案。共振型壓電隔膜泵將壓電致動器與泵腔隔膜分離,利用共振原理將壓電致動器的振動位移放大后驅(qū)動泵腔隔膜。國外研究的共振型壓電隔膜泵主要采用壓電疊堆為致動器,發(fā)揮壓電疊堆輸出力大的優(yōu)勢。但壓電疊堆的制造工藝相對復雜,成本高體積大,損壞后一次性更換成本較高。國內(nèi)對共振型壓電隔膜泵的研究起步較晚,但近些年有關(guān)研究逐漸增多,主要采用形式多樣的晶片式壓電振子作為共振型壓電隔膜泵的驅(qū)動單元。本文結(jié)合國家自然科學基金項目《壓電型氣體隔膜泵設計理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》(項目編號:51175213)開展研究,提出一種基于柔性支撐的壓電共振泵(下文簡稱“共振泵”),采用周邊柔性支撐的方形壓電振子作為共振泵的驅(qū)動單元,并利用共振原理將方形壓電振子的振動位移放大后驅(qū)動泵腔隔膜。研究提高共振泵輸送液體的流量和壓力以及長期工作穩(wěn)定性的有效方法,論文主要內(nèi)容如下:1、共振泵用方形壓電振子的研究綜合分析常用壓電振子的優(yōu)勢和不足,提出一種柔性支撐的方形壓電振子。方形壓電振子基板的周邊采用鏤空設計并采用獨特的四角固定的安裝方式,進而形成一種柔性支撐的結(jié)構(gòu),提高方形壓電振子剛度調(diào)整的靈活性并降低其振動約束。建立方形壓電振子在幾何中心等效集中力作用下的剛度計算模型,結(jié)合有限元仿真分析研究方形壓電振子中心的靜態(tài)和動態(tài)輸出特性,優(yōu)化方形壓電振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過輸出位移、輸出力和諧振頻率等測試試驗,驗證方形壓電振子的靜態(tài)和動態(tài)輸出性能。2、共振泵用輪式閥的研究共振泵工作在特定的共振頻率附近,選擇一種在特定工作頻率下性能突出的被動截止閥至關(guān)重要。分析常用被動截止閥的工作特性,確定本文研究的共振泵采用輪式閥結(jié)構(gòu)。分析輪式閥的動態(tài)工作過程,建立碰撞振動情況下輪式閥的運動模型。根據(jù)平板縫隙流理論推導計算輪式閥的理論流量,并利用Matlab對流量公式進行求解,得到以輪式閥的剛度和工作頻率為變量的輪式閥流量曲線。選用不同剛度的輪式閥制作壓電隔膜泵樣機,測試各樣機的輸出性能,并結(jié)合輪式閥理論流量的分析結(jié)果研究輪式閥剛度對特定工作頻率下輪式閥工作性能的影響。3、共振泵振動系統(tǒng)的建模與分析壓電振子的振動位移較小,直接作用到泵腔隔膜后很難獲得理想的泵腔容積變化量。本文將方形壓電振子與泵腔隔膜通過彈片式傳振塊連接,為共振泵構(gòu)造了一個兩自由度的壓電驅(qū)動系統(tǒng)。建立共振泵振動系統(tǒng)的動力學模型,通過調(diào)整彈片式傳振塊的質(zhì)量和剛度來優(yōu)化振動系統(tǒng)參數(shù)。最后制作共振泵振動系統(tǒng)性能測試樣機,通過試驗研究共振泵振動系統(tǒng)的幅頻特性。4、共振泵性能的試驗研究根據(jù)理論分析結(jié)果制作共振泵樣機,并通過輸出流量和輸出壓力測試試驗對共振泵性能進行研究分析,近一步優(yōu)化共振泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。合理的泵腔和流道結(jié)構(gòu)都會影響共振泵的輸出性能,通過試驗測試的方法找到共振泵的最佳腔高,同時采用導流槽和緩沖腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化共振泵的泵腔結(jié)構(gòu)和流道系統(tǒng),提高共振泵的輸出性能。5、壁面浸潤性優(yōu)化共振泵工作穩(wěn)定性的研究長期穩(wěn)定在共振狀態(tài)下工作是保證共振泵高性能工作的前提。試驗發(fā)現(xiàn),由于共振泵的振幅較大,泵腔中的液體在泵腔隔膜劇烈的振動沖擊下很容易產(chǎn)生氣泡,這些氣泡會嚴重干擾共振系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。為了降低共振泵流道系統(tǒng)中氣泡的危害,研究提升共振泵工作穩(wěn)定性的方法,本文通過試驗研究液體中氣泡與不同浸潤性壁面之間的作用關(guān)系,將壁面浸潤性原理應用到共振泵的流道系統(tǒng)中。設計相應的對比試驗,測試不同的浸潤性壁面對共振泵輸出性能的影響,尋求抑制氣泡產(chǎn)生和快速高效排出流道系統(tǒng)中氣泡的解決方法,提高共振泵長期工作的穩(wěn)定性。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH38
【圖文】：

相應的結(jié)構(gòu)改進，制成具有不同功能和結(jié)構(gòu)特點的壓電隔膜泵。1.2.1 國外壓電隔膜泵的研究現(xiàn)狀關(guān)于壓電隔膜泵最早的研究文獻發(fā)表于 1975 年，美國學者 L. Thomas Jr 等人將兩個圓形壓電振子上下對稱布置構(gòu)成一個密閉泵腔，兩個圓形壓電振子在交流電驅(qū)動下相向運動，與單個壓電振子相比可以實現(xiàn)更大的泵腔容積Y 化量。并采用電磁式主動閥制作壓電隔膜泵的進出口單向閥[38]。工作過程如圖 1.3 所示，壓電隔膜泵的入口閥和出口閥近似為一個兩位三通的電磁換向閥，與壓電振子配合往復動作。在 Vpp=150V 的正弦波電壓驅(qū)動下，工作頻率為 60Hz 時每個工作周期可以實現(xiàn) 1μl 的精密液體輸送，輸出壓力最大可達 16kPa。治療糖尿病的胰島素泵要便于隨身攜帶且能定時定量輸送藥物給患者，研究人員應用上述結(jié)構(gòu)的壓電隔膜泵制作了如圖 1.4 所示的小型胰島素泵。將胰島素泵首先對動物進行了活體試驗，獲得成功之后將其應用于人體，試驗證明其控制血糖效果明顯。

相應的結(jié)構(gòu)改進，制成具有不同功能和結(jié)構(gòu)特點的壓電隔膜泵。1.2.1 國外壓電隔膜泵的研究現(xiàn)狀關(guān)于壓電隔膜泵最早的研究文獻發(fā)表于 1975 年，美國學者 L. Thomas Jr 等人將兩個圓形壓電振子上下對稱布置構(gòu)成一個密閉泵腔，兩個圓形壓電振子在交流電驅(qū)動下相向運動，與單個壓電振子相比可以實現(xiàn)更大的泵腔容積Y 化量。并采用電磁式主動閥制作壓電隔膜泵的進出口單向閥[38]。工作過程如圖 1.3 所示，壓電隔膜泵的入口閥和出口閥近似為一個兩位三通的電磁換向閥，與壓電振子配合往復動作。在 Vpp=150V 的正弦波電壓驅(qū)動下，工作頻率為 60Hz 時每個工作周期可以實現(xiàn) 1μl 的精密液體輸送，輸出壓力最大可達 16kPa。治療糖尿病的胰島素泵要便于隨身攜帶且能定時定量輸送藥物給患者，研究人員應用上述結(jié)構(gòu)的壓電隔膜泵制作了如圖 1.4 所示的小型胰島素泵。將胰島素泵首先對動物進行了活體試驗，獲得成功之后將其應用于人體，試驗證明其控制血糖效果明顯。

第 1 章 緒論液體時，最大流量可達 200ml/min。同年，美國學者 Spencer 等人采用矩形壓振子制作進出口主動閥，將圓形壓電振子與泵體周邊密封制成單腔壓電隔膜泵]，結(jié)構(gòu)如圖 1.6 所示。使用該泵輸送胰島素藥液并由外部驅(qū)動電路控制圓形壓振子和進出口閥的工作頻率，通過試驗測得該泵單個周期的液體排量為.94μl，最高輸出壓力為 13kPa。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 張芷菁;王葳;陳信元;;胰島素注射用壓電微泵的性能研究[J];中國醫(yī)療器械雜志;2015年01期

本文編號：2794991