本文關鍵詞：脈動離心隔膜壓電泵原理與試驗

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【摘要】：壓電泵是一種新型流體驅動器,它具有結構緊湊、響應特性好、精確度高、耗能低、無噪聲等優(yōu)點,使得其在微型機電、醫(yī)療器械、化學分析、航空航天等領域有巨大的應用價值。然而,對于容積式壓電陶瓷泵,傳統(tǒng)的單向閥在工作中存在嚴重的滯后性,使得它很難與壓電陶瓷泵的殼面振動相匹配。在這種制約條件下,腔式壓電陶瓷泵的效率并沒有得到充分地發(fā)揮。相比于被動式單向閥,雖然使用壓電驅動式主動閥對提高壓電泵的工作頻率有利,但其存在閥口開啟位移較小或輸出力較小而導致流量下降的問題,且需要的閥控制系統(tǒng)復雜,不易于集成化設計。利用MEMS技術制作的新型單向閥,具有優(yōu)良的高頻特性,但MEMS制作工藝復雜,成本較高,不利于推廣。 針對有閥壓電容積泵中壓電元件的高頻特性和單向閥的低頻特性不兼容問題,本文提出了脈動離心隔膜壓電泵。它利用振動管內(nèi)的液體在離心力的作用下產(chǎn)生定向流動的特性來驅動泵腔中的隔膜產(chǎn)生形變,從而改變泵腔體積,借助單向閥實現(xiàn)液體的定向輸送。壓電陶瓷工作在較高的頻率而單向閥工作在較低的頻率,并且二者不產(chǎn)生沖突,能夠協(xié)調(diào)一致。本文首先分析了脈動離心隔膜壓電泵的工作原理,其次建立了壓電泵驅動部分的動力學模型,得出了振動頻率、模態(tài)振型、離心力和振幅極限的計算表達式。最后制作了原理樣機,測量了壓電泵的阻抗特性、脈沖特性、流量和壓力等性能,驗證理論分析的正確性。為了提高泵的效率,改善泵的性能,本文提出并搭建了快速起停電路,提高了泵的輸出流量,并實現(xiàn)頻率追蹤。此外,基于脈動離心隔膜壓電泵的工作原理,本文提出了一種新型的壓電驅動移液器,利用振動管的擺動產(chǎn)生的離心力作為驅動力,液體吸入時振動管工作在一階彎曲振動頻率。對單次移液體積隨電壓、驅動頻率、移液槍頭規(guī)格和不同試劑的變化做了測試。 實驗結果表明：壓電泵原理樣機可以保持并精確輸出液體脈沖,驅動電壓峰峰值為560Vpp,振動頻率為183.74Hz,吸液周期0.4s,排液周期0.1s,背壓0.3KPa時,去離子水輸出流量為6.12mL/min。實驗數(shù)據(jù)證明了脈動離心隔膜壓電泵的有效性。使用快速起停電路脈動頻率為4Hz時,去離子水輸出流量為12.49mL/min,泵的性能得以提升。 壓電移液器原理樣機在電壓560Vpp,頻率175.9Hz時移液體積為43.2μL,最大誤差±3.5%,最小移液體積為3μL。該移液器可以用在化學或生物實驗的標準移液中。
【關鍵詞】：壓電泵 脈動 離心力 隔膜 單向閥 移液器
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TH38
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 壓電泵的發(fā)展概況12-19
• 1.2.1 壓電泵的分類12-13
• 1.2.2 國外壓電泵的發(fā)展現(xiàn)狀13-17
• 1.2.3 國內(nèi)壓電泵的發(fā)展現(xiàn)狀17-19
• 1.3 壓電泵的發(fā)展趨勢與應用前景19
• 1.4 本文選題意義與論文結構19-23
• 第2章 壓電離心泵用壓電振子基礎理論23-33
• 2.1 壓電效應23-26
• 2.1.1 壓電材料晶體結構和極化微觀過程23-25
• 2.1.2 正逆壓電效應物理機理25-26
• 2.2 壓電材料的種類26-28
• 2.2.1 壓電單晶體26-27
• 2.2.2 壓電陶瓷27
• 2.2.3 新型壓電材料27-28
• 2.3 壓電陶瓷的重要參數(shù)28-29
• 2.4 線性壓電方程29-30
• 2.5 本章小結30-33
• 第3章 脈動離心隔膜壓電泵原理和測試33-59
• 3.1 脈動離心隔膜壓電泵原理33-34
• 3.2 脈動離心隔膜壓電泵的動態(tài)分析34-45
• 3.2.1 變截面梁理論35-39
• 3.2.2 驅動部分的動態(tài)分析39-45
• 3.3 脈動離心隔膜壓電泵樣機制作45-49
• 3.4 脈動離心隔膜壓電泵的測試49-58
• 3.4.1 驅動部分理論計算與阻抗測試49-50
• 3.4.2 驅動部分的有限元仿真分析50-53
• 3.4.3 脈動離心隔膜壓電泵的驅動信號編輯53-55
• 3.4.4 脈動離心隔膜壓電泵的流量背壓測試55-58
• 3.5 本章小結58-59
• 第4章 快速起振和快速停止電路59-69
• 4.1 快速起停的原理59-61
• 4.2 電路各模塊的功能61-65
• 4.2.1 分壓電路和電壓跟隨器61-62
• 4.2.2 低通濾波器LPF62
• 4.2.3 移相電路62-63
• 4.2.4 自動增益控制(AGC)環(huán)路63-65
• 4.3 快速起停電路的測試65-68
• 4.3.1 快速起停電路的懸臂梁測試65-67
• 4.3.2 快速起停電路在脈動離心隔膜壓電泵中的使用67-68
• 4.4 本章小結68-69
• 第5章 壓電驅動精密移液器69-77
• 5.1 壓電精密移液器的結構69-71
• 5.2 壓電精密移液器的測試71-76
• 5.3 本章小結76-77
• 第6章 總結與展望77-81
• 6.1 研究結論77-78
• 6.2 研究展望78-81
• 參考文獻81-85
• 附錄85-87
• 致謝87-89
• 在讀期間發(fā)表的學術論文與取得的其他研究成果89

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前8條

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本文編號：1001293