单振子压电驱动微型气泵的设计与实验研究

单振子压电驱动微型气泵的设计与实验研究

压电泵的原理真空泵是利用真空装置为动力源的新水流输送系统。在结构上,压电泵将传统泵的驱动源、传动系统及泵体三者合为一体,克服了由于运动部件可能导致的压力损失、磨损、疲劳破坏以及可能对某些敏感流体所造成的破坏,大大简化了泵的结构。因此同传统泵相比较,压电泵具有结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰、可根据施加的电压或频率精密控制输出流量等诸多优点。压电泵近年来发展比较迅速,其工作对象大多是液体,以气体为研究对象比较少见[1~7]。本文提出一种压电片驱动的微型气泵。1压电泵单振子的工作过程原理目前压电晶片元件驱动的压电泵基本结构是1978年日本学者樽崎哲二提出来的,其结构如图1所示。日本山形大学铃木胜义教授对这种压电泵进行了实验研究。传统压电泵的主要部件由压电振子(金属基片粘接压电陶瓷片组成)、泵体(形成有一定容积的泵腔)和两个单向阀组成(在压电振子同侧,泵腔进、出口处)。工作时通过压电振子的变形改变泵腔容积和单向阀的截止作用实现液体的连续泵出,具体的工作过程是:在交变激励信号作用下,压电振子交替产生向上、向下的弯曲变形,压电振子向下变形时,泵腔容积变大,泵腔内压强降低,在泵腔内外压差作用下,出口单向阀关闭,进口单向阀打开,流体进入泵腔内;压电振子向上变形时,泵腔容积变小,泵腔内压强增高,在泵腔内外压差作用下,进口单向阀关闭,流体冲开出口单向阀,从泵腔内流出,压电泵进入下一个工作循环。单向阀受到泵腔内外压差作用时,振子的响应明显滞后于振子振动,以空气为压电泵的工作对象时,由于空气具有很强的可压缩性,泵腔容积变化时单向阀两侧压差必然比输送液体时小,单向阀滞后现象更加明显,使压电泵很难输出气体。本文提出一种单振子压电泵结构方案,只采用了一个单向阀,就将进、出口隔开,简化了压电泵的结构,同时由于单向阀粘结在振子上,使振子的振动直接作用于单向阀,便于控制阀的振动和处理振子与单向阀的共振关系,提高泵的输出特性。基本结构如图2所示。这种压电泵的结构特点是:压电振子为中间有孔的压电双晶片,单向阀直接粘结在振子中心的孔上,泵进、出口与压电振子上的阀孔同心,孔径大小与振子上的孔径相同。工作时,压电振子向下变形,在压电振子动能作用下,单向阀产生相对于压电振子向上的位移,同时压电振子的变形使腔体容积变化,从而上、下腔体内压力发生改变(上腔体压力下降、下腔体压力上升),两侧压差对单向阀产生向上的作用,单向阀向上打开,流体进入上面泵腔内;压电振子向上变形时,单向阀产生相应的关闭动作,流体从泵腔内流出,压电泵进入下一个工作循环。通过对单振子压电泵的工作过程分析可以发现,单振子的压电泵可以减少向单向阀传递能量的环节,使单向阀动作与振子协调;同时压电振子的机械能直接作用在单向阀上,减少了能量传递的损失。另外将单向阀的安装位置设计在振子中心,使流体在泵腔的高压区通过,充分发挥压电泵的工作能力。2单向阀动态成像和模拟2.1稳态响应的复合式压电泵中单向阀的具体结构形式确立以后,可以将其简化为如图3所示的力学模型。由牛顿第二定律可得系统水平方向振动微分方程为式中m1、m2———压电振子、单向阀的质量k1、k2———压电振子、单向阀的刚度c1、c2———压电振子、单向阀的阻尼系数x1、x2———压电振子、单向阀水平方向位移方程(1)可以改写为方程组形式考虑F1(t)和F2(t)为简谐激励,即设稳态响应为把式(3)~(6)代入方程(2)中,得到两个代数方程式中X———位移幅度列阵F———激励幅度列阵Z(ω)———对称矩阵式(10)中逆矩阵可以表示为把方程(10)代入式(11)可得解为单向阀开度X稳态响应的复数表达式为式中单向阀的开度X取决于外界激励(F1,F2,ω)和系统自身的参数(m1,m2,c1,c2,k1,k2)。2.2单向阀运动原理利用Matlab软件中动态系统仿真工具Simulink进行仿真分析。根据上节所建立的单向阀运动机构的动力学模型,确定模型中的各个参数并将参数代入单向阀运动机构的动力学模型,各参数如下m1=0.0080kg,m2=0.000178kg,c1=0.3000,c2=0.1000,k1=10800N/m,k2=30N/m。可以得到单向阀的位移输出,如图4所示。由图4可知,压电振子的振动动能直接驱动单向阀进行打开和关闭动作,单向阀开度可以达到3.3×10-4m。3压电泵性能测试压电泵输出性能测试采用排水取气法,实验装置由压电泵、驱动电源、气体收集系统组成,结构如图5所示。电源驱动压电泵工作,泵送气体进入封闭的水槽将水排出,进入量杯,读出排出水的体积,即泵输出的气体体积。室温20℃时,在有效值为40V的正弦信号驱动下,以空气为介质对压电泵性能进行测试。图6是压电泵的频率-流量特性曲线。单振子压电泵与传统压电泵比较,频率-流量特性有明显的区别:输出流量随频率的增加出现多个波峰和波谷。频率逐渐增加到1000Hz的过程中波峰的值是逐渐增加的,在1000Hz时流量达到了720mL,但是当工作频率高于1100Hz后,输出流量迅速趋近于零。图7是在频率为1000Hz时,压电泵的电压-流量特性曲线。在频率保持不变时输出的流量与驱动压电振子的电压基本呈正比增加,主要因为电压增加使压电振子振动的位移变大,泵腔的容积变化也随之相应增大。4开度：3.310-4(1)由单向阀动力学建模和仿真分析可知,压电振子的振动动能直接驱动单向阀进行打开和关闭动作,理论上单向阀的开度可以达到3.3×10-4m。(2)新型的压电泵与