單振子壓電驅(qū)動微型氣泵的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

單振子壓電驅(qū)動微型氣泵的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

壓電泵的原理真空泵是利用真空裝置為動力源的新水流輸送系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)上,壓電泵將傳統(tǒng)泵的驅(qū)動源、傳動系統(tǒng)及泵體三者合為一體,克服了由于運(yùn)動部件可能導(dǎo)致的壓力損失、磨損、疲勞破壞以及可能對某些敏感流體所造成的破壞,大大簡化了泵的結(jié)構(gòu)。因此同傳統(tǒng)泵相比較,壓電泵具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能低、無噪聲、無電磁干擾、可根據(jù)施加的電壓或頻率精密控制輸出流量等諸多優(yōu)點(diǎn)。壓電泵近年來發(fā)展比較迅速,其工作對象大多是液體,以氣體為研究對象比較少見[1~7]。本文提出一種壓電片驅(qū)動的微型氣泵。1壓電泵單振子的工作過程原理目前壓電晶片元件驅(qū)動的壓電泵基本結(jié)構(gòu)是1978年日本學(xué)者樽崎哲二提出來的,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。日本山形大學(xué)鈴木勝義教授對這種壓電泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。傳統(tǒng)壓電泵的主要部件由壓電振子(金屬基片粘接壓電陶瓷片組成)、泵體(形成有一定容積的泵腔)和兩個單向閥組成(在壓電振子同側(cè),泵腔進(jìn)、出口處)。工作時通過壓電振子的變形改變泵腔容積和單向閥的截止作用實(shí)現(xiàn)液體的連續(xù)泵出,具體的工作過程是:在交變激勵信號作用下,壓電振子交替產(chǎn)生向上、向下的彎曲變形,壓電振子向下變形時,泵腔容積變大,泵腔內(nèi)壓強(qiáng)降低,在泵腔內(nèi)外壓差作用下,出口單向閥關(guān)閉,進(jìn)口單向閥打開,流體進(jìn)入泵腔內(nèi);壓電振子向上變形時,泵腔容積變小,泵腔內(nèi)壓強(qiáng)增高,在泵腔內(nèi)外壓差作用下,進(jìn)口單向閥關(guān)閉,流體沖開出口單向閥,從泵腔內(nèi)流出,壓電泵進(jìn)入下一個工作循環(huán)。單向閥受到泵腔內(nèi)外壓差作用時,振子的響應(yīng)明顯滯后于振子振動,以空氣為壓電泵的工作對象時,由于空氣具有很強(qiáng)的可壓縮性,泵腔容積變化時單向閥兩側(cè)壓差必然比輸送液體時小,單向閥滯后現(xiàn)象更加明顯,使壓電泵很難輸出氣體。本文提出一種單振子壓電泵結(jié)構(gòu)方案,只采用了一個單向閥,就將進(jìn)、出口隔開,簡化了壓電泵的結(jié)構(gòu),同時由于單向閥粘結(jié)在振子上,使振子的振動直接作用于單向閥,便于控制閥的振動和處理振子與單向閥的共振關(guān)系,提高泵的輸出特性?；窘Y(jié)構(gòu)如圖2所示。這種壓電泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:壓電振子為中間有孔的壓電雙晶片,單向閥直接粘結(jié)在振子中心的孔上,泵進(jìn)、出口與壓電振子上的閥孔同心,孔徑大小與振子上的孔徑相同。工作時,壓電振子向下變形,在壓電振子動能作用下,單向閥產(chǎn)生相對于壓電振子向上的位移,同時壓電振子的變形使腔體容積變化,從而上、下腔體內(nèi)壓力發(fā)生改變(上腔體壓力下降、下腔體壓力上升),兩側(cè)壓差對單向閥產(chǎn)生向上的作用,單向閥向上打開,流體進(jìn)入上面泵腔內(nèi);壓電振子向上變形時,單向閥產(chǎn)生相應(yīng)的關(guān)閉動作,流體從泵腔內(nèi)流出,壓電泵進(jìn)入下一個工作循環(huán)。通過對單振子壓電泵的工作過程分析可以發(fā)現(xiàn),單振子的壓電泵可以減少向單向閥傳遞能量的環(huán)節(jié),使單向閥動作與振子協(xié)調(diào);同時壓電振子的機(jī)械能直接作用在單向閥上,減少了能量傳遞的損失。另外將單向閥的安裝位置設(shè)計(jì)在振子中心,使流體在泵腔的高壓區(qū)通過,充分發(fā)揮壓電泵的工作能力。2單向閥動態(tài)成像和模擬2.1穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的復(fù)合式壓電泵中單向閥的具體結(jié)構(gòu)形式確立以后,可以將其簡化為如圖3所示的力學(xué)模型。由牛頓第二定律可得系統(tǒng)水平方向振動微分方程為式中m1、m2———壓電振子、單向閥的質(zhì)量k1、k2———壓電振子、單向閥的剛度c1、c2———壓電振子、單向閥的阻尼系數(shù)x1、x2———壓電振子、單向閥水平方向位移方程(1)可以改寫為方程組形式考慮F1(t)和F2(t)為簡諧激勵,即設(shè)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為把式(3)~(6)代入方程(2)中,得到兩個代數(shù)方程式中X———位移幅度列陣F———激勵幅度列陣Z(ω)———對稱矩陣式(10)中逆矩陣可以表示為把方程(10)代入式(11)可得解為單向閥開度X穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的復(fù)數(shù)表達(dá)式為式中單向閥的開度X取決于外界激勵(F1,F2,ω)和系統(tǒng)自身的參數(shù)(m1,m2,c1,c2,k1,k2)。2.2單向閥運(yùn)動原理利用Matlab軟件中動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink進(jìn)行仿真分析。根據(jù)上節(jié)所建立的單向閥運(yùn)動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型,確定模型中的各個參數(shù)并將參數(shù)代入單向閥運(yùn)動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型,各參數(shù)如下m1=0.0080kg,m2=0.000178kg,c1=0.3000,c2=0.1000,k1=10800N/m,k2=30N/m?？梢缘玫絾蜗蜷y的位移輸出,如圖4所示。由圖4可知,壓電振子的振動動能直接驅(qū)動單向閥進(jìn)行打開和關(guān)閉動作,單向閥開度可以達(dá)到3.3×10-4m。3壓電泵性能測試壓電泵輸出性能測試采用排水取氣法,實(shí)驗(yàn)裝置由壓電泵、驅(qū)動電源、氣體收集系統(tǒng)組成,結(jié)構(gòu)如圖5所示。電源驅(qū)動壓電泵工作,泵送氣體進(jìn)入封閉的水槽將水排出,進(jìn)入量杯,讀出排出水的體積,即泵輸出的氣體體積。室溫20℃時,在有效值為40V的正弦信號驅(qū)動下,以空氣為介質(zhì)對壓電泵性能進(jìn)行測試。圖6是壓電泵的頻率-流量特性曲線。單振子壓電泵與傳統(tǒng)壓電泵比較,頻率-流量特性有明顯的區(qū)別:輸出流量隨頻率的增加出現(xiàn)多個波峰和波谷。頻率逐漸增加到1000Hz的過程中波峰的值是逐漸增加的,在1000Hz時流量達(dá)到了720mL,但是當(dāng)工作頻率高于1100Hz后,輸出流量迅速趨近于零。圖7是在頻率為1000Hz時,壓電泵的電壓-流量特性曲線。在頻率保持不變時輸出的流量與驅(qū)動壓電振子的電壓基本呈正比增加,主要因?yàn)殡妷涸黾邮箟弘娬褡诱駝拥奈灰谱兇?泵腔的容積變化也隨之相應(yīng)增大。4開度：3.310-4(1)由單向閥動力學(xué)建模和仿真分析可知,壓電振子的振動動能直接驅(qū)動單向閥進(jìn)行打開和關(guān)閉動作,理論上單向閥的開度可以達(dá)到3.3×10-4m。(2)新型的壓電泵與