孫靜　魯海龍

摘 要：針對(duì)如何提高微型主動(dòng)閥類(lèi)壓電泵的輸出特性的問(wèn)題，提出了主被動(dòng)閥結(jié)合式壓電泵的研究方案，并設(shè)計(jì)制作了壓電泵，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：主被動(dòng)閥相結(jié)合式壓電泵最大輸出流量為520ml/min，最大輸出壓力25kPa。

關(guān)鍵詞：壓電泵；主動(dòng)閥；試驗(yàn)

1 引言

壓電泵是根據(jù)壓電材料的逆壓電效應(yīng)，壓電振子在輸入電信號(hào)下產(chǎn)生變形，變形使壓電泵的腔體容積變化實(shí)現(xiàn)液體輸出或者利用振子產(chǎn)生波動(dòng)來(lái)傳送液體，可實(shí)現(xiàn)重量輕、無(wú)噪聲、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗能低、無(wú)干擾、體積小等特性[1-4]，可利用施加頻率或電壓的大小控制輸出微流量等等，被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療/制藥、化學(xué)分析、生物工程、電子器件冷卻等方面[4-9]。

近年來(lái)人們研制出各種類(lèi)型的壓電泵，這些壓電泵中被動(dòng)閥壓電泵其主要原理是利用液體的流動(dòng)推動(dòng)閥的開(kāi)啟，而主動(dòng)閥壓電泵則是通過(guò)主動(dòng)方式控制閥的開(kāi)和關(guān)，根據(jù)主動(dòng)閥壓電泵的特點(diǎn)，提出了主被動(dòng)閥結(jié)合式的雙腔串聯(lián)壓電泵方案，以期提高壓電泵的輸出性能，改善壓電泵的工作能力。

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

主被動(dòng)閥結(jié)合式的壓電泵的結(jié)構(gòu)如圖1示，泵的進(jìn)出口閥是主動(dòng)閥，閥的開(kāi)啟和關(guān)閉完全是由外界驅(qū)動(dòng)信號(hào)根據(jù)泵腔體積變化情況的要求來(lái)控制的。因此，進(jìn)、出口閥的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間可以做到準(zhǔn)確自如，這就控制了閥對(duì)于壓電振子的滯后性，消除了流體在流經(jīng)閥口、開(kāi)啟單向閥時(shí)的能量損失，有效地抑制了倒流現(xiàn)象。該泵是利用兩個(gè)腔體串聯(lián)，泵腔1的出口是泵腔2的入口，兩腔之間安裝一個(gè)傘形閥，即被動(dòng)閥，將兩腔分開(kāi)，理論上兩串聯(lián)腔體可以提高泵是輸出壓力和輸出流量。

雙腔串聯(lián)壓電泵在工作時(shí)，兩泵腔壓電振子的電極所加驅(qū)動(dòng)電信號(hào)相位差為180o，以使壓電振子異步振動(dòng)。該泵的一個(gè)工作循環(huán)可分為兩個(gè)階段：

（1）給進(jìn)口壓電振子和出口壓電振子施加電信號(hào)，使進(jìn)口閥打開(kāi)，出口閥打開(kāi)；改變泵腔的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，使泵腔1壓電振子向上彎曲，液體從入口吸入腔體1中，泵腔2壓電振子向下彎曲，泵腔2中的液體從出口流出。其工作狀態(tài)如圖2所示。

2） 當(dāng)改變主動(dòng)閥的控制信號(hào)時(shí)，使進(jìn)口閥關(guān)閉，出口閥關(guān)閉；給泵腔壓電振子施加電信號(hào)，使泵腔1振子向下彎曲，泵腔2振子向上彎曲，腔體1體積隨信號(hào)改變而減小使壓力增加，泵腔2體積反而增大使壓力降低，故液體從泵腔1排至泵腔2，泵腔1與泵腔2的共同作用增強(qiáng)了流體的單向流動(dòng)，其工作狀態(tài)如圖3所示，這樣就完成了一個(gè)工作周期。

3 試驗(yàn)研究

對(duì)主被動(dòng)閥結(jié)合式的雙腔串聯(lián)泵的輸出特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要測(cè)試泵的輸出流量和輸出壓力，在不同驅(qū)動(dòng)電壓和工作頻率下泵的輸出特性。泵的輸出流量和輸出壓力受泵用圓形

雙晶片振子驅(qū)動(dòng)信號(hào)及閥性能的影響。

3.1 泵用壓電振子驅(qū)動(dòng)信號(hào)

文章所研究的主被動(dòng)閥結(jié)合的雙腔串聯(lián)壓電泵的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正弦波信號(hào)，即進(jìn)出口閥和兩泵腔振子的驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為正弦波信號(hào)。原因是正弦波信號(hào)振子響應(yīng)也是正弦信號(hào)，雖然有滯后現(xiàn)象，但泵中的各個(gè)振子均是由正弦波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，滯后現(xiàn)象可以忽略。依據(jù)對(duì)泵工作工程的分析，進(jìn)出口閥同時(shí)開(kāi)啟關(guān)閉，故用同樣的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，泵腔1吸水時(shí)泵腔2排水，故泵腔1和泵腔2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相反。給出的壓電泵的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖4所示。

3.2 泵的輸出特性

文章采用定壓調(diào)頻的方法測(cè)試主被動(dòng)閥結(jié)合式雙腔串聯(lián)壓電泵的輸出流量、輸出壓力。試驗(yàn)過(guò)程中分別給壓電振子施加不同的驅(qū)動(dòng)電壓，觀察泵的工作情況，測(cè)試了泵的輸出特性。

對(duì)該泵施加不同的驅(qū)動(dòng)電壓，從泵的工作狀況得知泵的輸出特性和驅(qū)動(dòng)電壓呈線性關(guān)系，驅(qū)動(dòng)電壓越高，泵的輸出流量和輸出壓力均呈線性增加。但由于壓電振子有承載電壓的極限值，故不能無(wú)限的增大驅(qū)動(dòng)電壓。文章所測(cè)試的結(jié)果驅(qū)動(dòng)電壓均低于100V。

圖5是在壓電泵工作電壓在70V和90V時(shí)得到的頻率-流量特性曲線。從曲線走向看，變化規(guī)律基本相同。驅(qū)動(dòng)頻率從60Hz開(kāi)始流量快速地呈線性增加，頻率增加到100Hz時(shí)流量達(dá)到最大值，當(dāng)頻率超過(guò)110Hz流量又開(kāi)始下降，分析原因是因?yàn)轵?qū)動(dòng)頻率越高時(shí)，壓電振子振動(dòng)的幅值減小，閥口開(kāi)啟小，腔體體積減小，故泵的流量隨之降低。可知，該雙腔串聯(lián)泵在工作頻率約為100Hz時(shí)輸出流量達(dá)到最大，驅(qū)動(dòng)電壓90V時(shí)壓電泵最大泵水量可達(dá)到520ml/min，該頻率為其輸出流量的最佳工作頻率。

圖6是在壓電泵工作電壓在70V和90V時(shí)得到的頻率-壓力特性曲線。由圖可知，兩條曲線的走勢(shì)基本相同，雙腔串聯(lián)泵的輸出壓力-頻率曲線有波峰和波谷，初始測(cè)量的頻率為60Hz，壓力曲線處于波谷位置，說(shuō)明此時(shí)壓電泵的輸出壓力最小。隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增加，輸出壓力隨之增大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率達(dá)到110Hz左右時(shí)，兩條曲線的輸出壓力基本都達(dá)到最大值，驅(qū)動(dòng)電壓90V時(shí)最大輸出壓力可達(dá)到25kPa，這說(shuō)明壓電泵的輸出壓力和流量具有相似的頻率特性，工作狀態(tài)都有最佳的工作頻率。不同的是，隨著頻率繼續(xù)增加，輸出壓力反而下降，曲線再次出現(xiàn)波谷，但此時(shí)輸出壓力并不是最小值。頻率再增加，壓力又繼續(xù)升高，當(dāng)頻率達(dá)到約200Hz左右時(shí)候，壓力又達(dá)到最大值，說(shuō)明雙腔串聯(lián)泵的壓力-頻率特性曲線至少有兩個(gè)最佳工作頻率。工作過(guò)程中可以通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)頻率的大小調(diào)整壓電泵的輸出壓力，為實(shí)際應(yīng)用提供條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 主被動(dòng)閥結(jié)合式雙腔串聯(lián)壓電泵輸出壓力和輸出流量均隨驅(qū)動(dòng)電壓的升高而增大，基本呈線性關(guān)系。

4.2 主被動(dòng)閥結(jié)合的雙腔串聯(lián)壓電泵有最佳工作頻率點(diǎn)，在最佳輸出頻率點(diǎn)輸出流量和輸出壓力達(dá)到最大。最大輸出流量為520ml/min，最大輸出壓力為25kPa。

4.3 試驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果對(duì)壓電泵的研究有指導(dǎo)意義，并為提高主動(dòng)控制泵的輸出流量和輸出壓力提供了一種新的方法。

參考文獻(xiàn)endprint

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