（测试计量技术及仪器专业论文）“y”形流管无阀压电泵的研究.pdf

n a n ji n gu n i v e r s i t ) ro f a e r o n a u t i c sa n da s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a e r o s p a c ee n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i c p u m p w i t hy s h a p et u b e s a t h e s i si n m e a s u r e m e n ta n dt e s t i n gt e c h n 0 1 0 9 y & i n s t n i m e n t se n 百n e e r i n g b y y ef a n g a d 访s e d b y p r o fz h a n gj i a n h u i s u b n l i t t e di np a 而a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q v i r e m e n t s f - o rm e d e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e 血g j a j l u 哪2 0 1 0 j ， j 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：里士薹 日 期：趁纽。至，召 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本研究课题来源于国家自然科学基金一细胞或高分子输送用“y ”形流管无阀压电泵的 流体动力学分析及应用研究( n o 5 0 5 7 5 0 0 7 ) 。 压电泵结构简单，具有传统泵所不具备的优点，在航空航天器、机器人、汽车、医疗器械、 生物基因工程、微型机械等领域里都得到了成功的应用。然而，目前以医疗、卫生、保健等领 域作为研究背景对无阀压电泵进行的研究大都未考虑泵腔及流管内湍流及涡旋的影响。本文通 过分析其它形式无阀压电泵阀结构存在的不足，提出了一种新型的无阀压电泵结构“y ” 形流管无阀压电泵结构。 概括起来，本文主要的研究内容和成果综述如下： 在压电振子振动分析方面，推导了泵用圆形压电振子的同有频率和振子中心振幅的理论计 算公式。建立了压电振子的有限元模型，对理论公式进行了验证。计算和分析了直径比、厚度 比、基底层材料对压电振子振动特性的影响，为压电泵驱动器的优化设计提供了实用性的参考。 在“y ”形流管无阀压电泵的流体有限元分析方面，推导了泵流量的理论计算公式，并分别 对压电泵和“y ”形流管流场进行了有限元计算和分析，为进行泵流量的理论计算奠定了基础。 在“y ”形流管无阀压电泵的工作特性实验研究方面，基于不同的实验目的，采用了不同的 实验方案，进行了多组实验，一方面验证了泵流量理论公式的有效性，另一方面对“y ”形流 管无阀压电泵的工作特性进行了研究。实验中还借助了高速摄像机系统对同一时间点上两端液 面高度位置进行了记录，得到两端液柱高度差随时间的变化曲线，并对所得到的曲线进行分形 学研究，同时对这一探索性研究得到的规律进行归纳和解释。 综上所述，研究表明“y ”形流管无阀压电泵在本质上克服与避免了产生大范围涡旋的缺点， 且结构简单易于微型化和集成化，因此可应用于血液输送等医疗保健领域。 关键词：“y ”形流管，无阀压电泵，涡旋，振动，流体 “y ”型流管无阀压电泵的研究 a b s t r a c t 1 1 1 i ss u b j e c tw 弱g r a n t e db yt l l en 撕。砌n a t u m ls c i e n c ef 0 u n d a l i o np r o j e c t _ - r e s e a r c h f l u i dd y n a r n i c s 锄da p p i i c a t i o no fv a i v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m p 谢t l ly - s h a p en i b e sf o r1 i 翰1 1 s p o n i n g c e l l sa n dm a c r o l n o l e c u l e ( p r o j e c tn o 5 0 5 7 5 0 0 7 ) p i e z o e l e c t r i cp u r n pi ss i n 】p l ei ni t ss 恤l c t u 他孤dh a sm a n ya d v 批g e sd i f | f e r e n tf h nm m i t i o n a l p l l r 】n p s ，i th 硒丽d ea p p l i c a t i o 璐i i lm ef i e l d so fa e r o m l n i c sa n d 笛仃o m m i c s ，r 曲0 t ，c 雒，m e d i c a l a p p 孤a t u s ，c r e a t u r eg e l l e d ce 呼n e 鲥n ga n dr i l i c r 0 - m a c h i i l e ，e t c h o w e v e r ，m 甜l yr e s e a r c h e s v a l v e l e s sp i e z o e l e c 仃i cp m l 币，t a l ( i n gm e d i c a l 臼e a t i l l e n t ，s a n i t a t i o na n dh e a l mc a r e 弱m e i rr e s e a r c h b a c k 伊o u n d s ，t a k er 1 0a c c o u n to f 圯e 珏e c t so fv o n e xa n d o n f l o we x i s t i n gi nm ec k l i t l b e ra n dt u _ b e s o fm ep u m p 1 1 l i sm e s i s 锄a l y z e dm ed m w r b a c l 【so fo t h e rt y p e so fv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pi n l e i r s 仇l c t u r e s ，狮dm p r o p o s e dan o v e lt y p eo fv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m l 卜- v a l v e l e 嚣 p i e z o e l e c t r i cp u l l 【1 p 、) l ，i t l ly - s h a p en l b e s p y r ) t h en l a i nr s e a r ha c h i e v e m e n t sa n d 、o r k 纠怆s u m m 撕z e da sf o u o w s ： h lm ea s p e c to ft h e b r a t i o n 肌a l y s i so np i e z o e l e c t r i ca c t i i a t o r ，f o 加1 u l 瓠f o rt h ec a l c u l 撕o no f i n h e r e n tf 沁q u e n c y & m a 】( i m u md i s p l a c e m e n to f 吐l ep i e z o e l e c t r i ca c t u a b o ra 他d e d u c e d n e x t ，f e m m o d e lf 0 rt h ea c t u a t o rw 雒e s t a _ b l i s h e dt ov e r i 黟虹l ec o r r e c 缸l e s so ft i l e o r e t i c a la i l a l y s i s f i i l a l l y ，m e e 仃e c t so fg e o m e 仃i c a lp a m m e t e r s ( d i a n 舱t e rm t i o ，m i c l c r l e s sr a t i o ) a n db 弱em a t e r i a lp a r 锄e t e r so nm e a c t u a t o rp e r f i o m 瑚c el l a v eb e 髓i i e s t i g a t e d ，w m c hp r 0 讥d e sag o o dr e f e r e n c ef o ro p t i m i z i n gm e d e s i 驴锄dm 匝u f a c t u l 七o f o m c r 咖e so f p i e z o e l e c t r i cp u t 印 h lm ea s p e c to fn 圮f l u i d 撇l y s i so nv p p y t f i r s t l yt h e 矗舢l at 0c a l c u l a t e 圮n o wm t ei s d e d u c e d a n dm e nb a s e do n 缸i t e 、r o l u m em e m o d ，f l u i dc a l c u l 撕o na n da 1 1 a l y s i so nm ep u 呷孤d o nm ey 二s h a p et u b ea r ec o r l d u c t e dr e s p e c t i v e l y w h i c hm a k e sp r e p a r a t i o nf o rm e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no f m e n o w m t e h lm ea s p e c to fe x p 丽m e n t a lr e s e a r c h0 n p y t b 舔e do nd i 虢崩l tp u r p o s e s ，s e v e r a lg r o u p so f e x p e r i m e 鹏a 聆c o n d u c t e db yd i 虢r e mt e s tm e t i l o d s o nm eo n eh a n d m ee x p e r i m e n t sv 嘶匆t h e v “d i t ) ro f 圮f o 聊u l ao fn o wr a t e ；0 n 血eo l e rh a n d ，w o r k i i l gp e 而册_ a i l c eo fm e p y ti s 缸咀l e r s t i l d i e d a d d i t i o r l a l i y ，l ep o s i 6 0 i l so ft l l et 、0f l u i dl e v e l so f 仕屺p m i l pi n l ee s p e c i a le x p e r i i n e n ta r e r e c o r d e db yu s i i l ga1 1 i g l l s i e e d c a i i 他r as y s t e i i l 锄dt h e i lac l l r o fd e 讥撕0 nb e t 、e e nm e 佃on u i d l e v e l sc t 姗g i i l gw m lt h et i i n ec a nb eo b t a m e d a f i e r1 1 1 a t ，m ec u n ，ei ss t u d i e sb y 璐i r 培丘a c t a l k n o w l e d g e ，锄dm em d u c t i o na i l de x p l a i l a t i o nf o r 吐l er e s u hp a 位e m 硒mt h i se x p l o s i v e 托s e a r c ha d e r i v e da t l a s t i j 1 南京航空航天大学硕士学位论文 a sm e n t i o n e dd b o v e ，t l l i sr e s e a r c hi i l d i c a t e st h a tv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pw i t hy 二s h a p et i l _ b e s c 锄0 v e r c o r ma n da v o i dn l es h o r t c o i i l i n g so fg e n e m t i n gl a 唱ea r e ao fv o n e x 柚d0 n f l o w 锄dh a s s i m p l e 咖l c t u r ce 笛yf o rr n i n i a n l r i z a t i o n 勰di n t e 刚i o 玛s oi tc 孤b ea p p l i e di nt l l ef i e l d so fm e d i c a l c a r | es u c ha sb l o o dn 硼m s i o n k e yw o r d s ：y - s h a p e 劬e ，v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp 硼叩，v o r t e x ，v i b r a t i o n ，n u i d “y ”型流管无阀压电泵的研究 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 压电泵的发展现状2 1 2 1 压电泵的分类2 1 2 2 压电泵的国内外发展现状2 1 3 课题意义和研究内容一9 第二章压电驱动的基础理论1 l 2 1 压电效应与压电陶瓷1 l 2 1 1 压电效应1 l 2 1 2 压电陶瓷1 2 2 2 压电陶瓷材料的主要参数1 2 2 3 压电振子1 4 2 3 1 压电振子的振动模式一1 5 2 3 2 压电振子的谐振特性1 5 2 4 本章小结1 6 第三章泵用圆形压电振子的振动分析1 7 3 1 压电振子振动特性分析1 7 3 1 1 应变能和动能的计算。1 7 3 1 2 压电振子的固有频率和振幅的计算1 9 3 2 理论验证1 9 3 2 1 压电振子有限元模型1 9 3 2 2 验证结果2 0 3 4 分析与讨论2 l 3 4 1 直径比的影响2 l 3 4 2 厚度比的影响2 l 3 4 3 基底层材料的影响2 2 3 5 本章小结2 2 第四章y ”形流管无阀压电泵流场分析2 3 4 1 y ”形流管无阀压电泵的上作原理2 3 4 2 泵流量的理论计算2 4 4 3 流场仿真计算2 5 4 3 1n u e n t 流体软件介绍。2 5 4 3 2 “y ”形流管无阀压电泵的分析模型2 6 4 3 3 “y ”形流管内的流场分析3 l 4 3 3 1 叩形流管的设计思想3 1 4 3 3 2 y ”形流管内的流场计算。3 2 4 3 3 3 叩形流管的流阻计算3 4 4 4 本章小结3 6 第五章吖”形流管无阀压电泵的实验研究3 7 5 1 泵流量的理论计算与实验结果对比3 7 5 1 1 压电振子中心振幅的实验测定3 7 5 1 1 1 实验设备介绍3 7 5 1 1 2 压电振子中心振幅测试结果3 8 “y ”型流管无阀压电泵的研究 5 1 2 泵流量的理论值与实验值对比分析3 9 5 2 泵流量和输出压力测量4 0 5 2 1 实验设备介绍4 l 5 2 2 频率对y ”形流管无阀压电泵工作性能的影响4 l 5 2 3 驱动电压对y ”形流管无阀压电泵工作性能的影响4 2 5 3 y ”形流管流阻实验4 3 5 3 1 实验设备介绍4 3 5 3 2 流阻实验测量4 4 5 4 双自由液面泵流量的实验研究4 5 5 4 1 实验设备介绍4 5 5 4 2 合管宽度对液面高度差的影响4 6 5 4 3 液面高度差实验数据的分形计算与分析4 7 5 4 3 1 分形理论。4 8 5 4 3 2 分维数的计算4 9 5 4 3 3 分维数曲线的分析与讨论5 0 5 5 本章小结5 2 第六章结论5 3 6 1 本文的主要工作5 3 6 2 进一步研究预想5 4 参考文献5 5 致谢5 8 在学期间的研究成果及发表的学术论文一5 9 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 压电振子式有阀压电泵3 图1 2m i c h lk b c h 等人研制的有阀压电泵。3 图1 3s e b a s t i a i lb o h m 采用塑料被动阀的微泵4 图1 4 阚君武等人的有阀压电泵4 图1 5b o “制作的具有高跟从率被动阀的压电泵4 图1 6 加利福尼大学提出的主动阀压电泵5 图1 7 压电叠堆驱动式主动阀压电泵原理及实物图5 图1 8e m 【s t e m m e 发明的锥形流管无阀泵6 图1 9 t 0 r s t e n g e r l a c h 的四方锥形流管无阀压电泵6 图1 1 0 多个小锥形的涡旋阀一7 图1 1 l 双环管道阀( t e s l a 阀) 一7 图1 1 2 非对称群峰无阀压电泵7 图1 1 3 四面体嵌块无阀压电泵一8 图1 1 4 异型管无阀压电泵8 图1 1 5 温控无阀压电泵9 图2 1 晶体的压电效应与逆压电效应。l l 图2 2 压电陶瓷的极化1 2 图2 3 交流电路中电流电压矢量图1 3 图2 4 压电振子的振动模式一1 5 图2 5 压电振子的阻抗特性曲线。1 6 图3 1 简化后的压电驱动器的儿何参数1 7 图3 2 压电驱动器的有限元模型2 0 图3 3 不同直径比a 对应的【司有频率。2 2 图3 4 不同直径比a 对应的最大振幅一2 2 图3 5 不同的厚度比口对应的f i i i f 有频率2 2 图3 6 不同的厚度比口对应的最大振幅一2 2 图4 1 “y ”形流管无阀压电泵的下作原理图2 3 图4 2 “y ”形流管无阀压电泵结构示意图2 7 图4 3 y ”形流管尺寸参数2 7 图4 4 “y ”形流管无阀压电泵的有限元分析模型2 7 图4 5 锥形流管与“y ”形流管内流场的对比仿真结果3 2 图4 6 正流时不同支管夹角下的压强场分布图一3 2 图4 7 正流时不同支管夹角下的速度场分布图一3 3 图4 8 反流时不同支管夹角下的压强场分布图3 3 图4 9 反流时不同支管夹角下的速度场分布图一3 4 图4 1 0 支管夹角流阻系数关系曲线3 5 图4 1 1 支管夹角流阻差关系曲线3 5 图5 1 信号发生器、低频功率放大器和压电泵样机3 7 图5 2 不同支管夹角的“y ”形槽铝块实物图( 2 0 0 7 0 。) 3 8 图5 3 压电振子振幅实验测试工作框图3 8 图5 4 空载时工作频率中心振幅关系曲线( 2 2 0 v ) 3 8 图5 5 负载时工作频率中心振幅关系曲线( 2 2 0 v ) 3 9 图5 6 负载时驱动电压中心振幅关系曲线( 3 0 h z ) 3 9 “y ”型流管无阀压电泵的研究 图5 7 理论流量与实验流量对比曲线( 2 2 0 v 4 0 0 ) 4 0 图5 8 理论流量与实验流量对比曲线( 3 0 h z ，4 0 。) 4 0 图5 9 理论流量与实验流量对比曲线( 2 2 0 v 6 0 h z ) 4 0 图5 1 0 泵流量和输出压力测量装置示意图4 l 图5 1 l 工作频率对“y ”形流管无阀压电泵输出流量的影响( 驱动电压2 2 0 v ) 4 2 图5 1 2 工作频率对“y ”形流管无阀压电泵输出压力差的影响( 驱动电压2 2 0 v ) 4 2 图5 1 3 驱动电压对“y ”形流管无阀压电泵输出流量的影响( 3 0 h z ) 一4 3 图5 1 4 驱动电压对“y ”形流管无阀压电泵输出压力差的影响( 3 0 h z ) 4 3 图5 1 5 y ”形流管无阀压电泵流阻变化规律测量装置4 4 图5 1 6 y ”形流管的正反流时间变化曲线4 4 图5 1 7 “y ”形流管的正反流时间差变化曲线4 5 图5 1 8 实验用工作台及照相设备4 6 图5 1 9 不同合管宽度的“y ”形槽铝块实物照片4 6 图5 2 0 高速摄像系统装置连接图4 6 图5 2 1 液柱高度差随合管宽度的变化曲线4 7 图5 2 2 液柱高度差随频率的变化曲线4 7 图5 2 3 液柱高度差随时间的变化曲线4 8 图5 2 4 变换( v 撕a t i o n ) 法求分维数。4 9 图5 2 5 单双向分维数曲线图5 0 图5 2 6 裂纹分叉的分形模型5 1 图5 2 7 分形树结构图5 1 表3 1 压电振子的参数2 0 表3 2 频率的理论值、有限元值和测量值的比较。2 0 表3 3 振幅的理论值与有限元值的比较一2 l 表4 1 各振动区间两端“y ”形流管进排水量比较2 3 表4 2 “y ”形流管的固定及可变的尺寸参数2 6 表4 3 一个周期内各个工作过程的仿真结果2 8 南京航空航天大学硕士学位论文 相对介电常数 介质损耗角正切值 机械品质因数 机电耦合系数 压电应变常数 轴向应变 径向应变 环向应变 径向应力 环向应力 剪应变 金属基板厚度 压电陶瓷层厚度 金属基板半径 压电陶瓷层半径 半径之比 厚度之比 圆频率 密度 正流瞬时流量 反流瞬时流量 正流平均流量 反流平均流量 注释表 巨 互 易 见 r u 岛l 屹 、，f s w 乞 毛f 矿 矿 眦x y 卸： 邸f 彪 d z 金属基板层应变能 压电陶瓷层应变能 电场强度 电位移 总动能 电压 压电常数 正流平均速率 反流平均速率 合管的横截面积 中心点振幅 挠度 正流压强损失系数 反流压强损失系数 任意单只“y ”形流管流量的差 容积变化量 单位时间内的泵流量 正流压强损失 反流压强损失 倒介电常数 分形维 相似比 分叉角度 占 纽 q k d 墨墨岛 乃 乃 厂 口 6 r r 口 缈 p q g q g 0 南京航空航天大学硕士论文 第一章绪论 1 1引言 泵是输送液体或使液体增压的机械。从能量的观点来说，泵是一种转换能量的机器，它把 原动机的机械能转化为被输送液体的能量，使流体的流速和输出压力增加。在人类社会早期， 就曾出现过各式各样提水的机械用于人类的生活和生产，例如早期的人力水车、波斯水车、辘 轳等，可算是泵的最早的模型。这其中还包括比较著名的公元前三世纪阿基米德发明的螺旋杆， 可以平稳连续地将水提至几米高处，其原理仍为现代螺杆泵所利用。这些泵的普遍特点是结构 简单而且实用。十七世纪电的发现和后来蒸汽机、汽轮机、电动机的相继发明，为泵的发展提 供了强劲动力，以这些原动机为动力源，已发展出种类、名目繁多的流体泵。这些流体泵无论 在理论上，还是在设计方法和制造技术上，都已达到十分完善的程度【1 。2 1 ，但受工作原理和结构 的限制，如需要附加驱动电机，其体积较大，受电磁干扰，不易控制微小流量，因而难以满足 当前宇宙飞船、人造卫星、飞机、汽车、机器人、医疗、精密仪器及其它微机电系统的应用需 求。 随着科学技术的不断发展以及各种新材料、新机构、新型驱动器等的不断出现，使得流体 泵这种古老的机械无论在工作机理上还是在结构上都在不断变化f 3 卅。压电泵是近年来开发出来 的一种新型泵。与传统泵相比，压电泵是一种具有自驱动功能的执行与驱动器集于一身的新型 泵，不仅克服了由于运动部件可能导致的泄漏、压力损失、磨损、疲劳破坏以及可能对某些敏 感流体所造成的化学破坏，还避免了传统泵因各部件进行动力传导而产生的能量损失，因此系 统的电机能量转换效率得到了提高。同时，压电泵是利用具有逆压电效应的压电振子作为换能 器的流体传输装置。压电泵所使用的压电驱动器是一种高响应速度、高精度的驱动器。在驱动 电信号发生变化时，压电驱动器能够做出及时、准确的反应，所以压电泵的响应特性好、可根 据施加电压或频率控制输出流量与压力。此外，同传统泵相比，压电泵还具有：结构简单、体 积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰等特点。因此，压电泵在航空航天器、汽车发动 机燃料供给【5 羽、生物、医学、卫生、保健m 】，化学、化工网以及替代传统流体传送、动力供给 等领域都具有广阔的应用前景。 目前世界上许多国家( 如日本、美国、荷兰、瑞典、瑞士、英国、德国、新加坡、以色列等) 都在进行压电泵的研制开发工作。历经二十多年的发展，具有某些功能的小型压电型泵在日本 己商品化，满足更高功能要求的压电泵正在进一步研制开发中。国内从事这方面研究的科研机 构还很少，起步较晚，但研发的势头却很强劲，发展到今天已有多所高校及研究院所从事这方 面的研究，如：清华大学、吉林大学、浙江大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、北京理工 “y ”形流管无阀压电泵的研究 大学、南京航空航天大学等。如今也有几家公司在从事微型压电泵的研发工作，如重庆金山科 技有限公司早在2 0 0 2 年的高交会上，就与德国签约，共同开发硅微型泵项目。深圳也有企业从 事压电泵的研发工作。 1 2 压电泵的发展现状 压电泵是集机械学、电子学、材料学以及流体力学等诸多学科于一体的综合性研究课题。 自二十世纪七十年代末第一个压电泵模型被提出以来，压电泵就以其独特的工作方式和特殊的 性能日益受到各国学者的广泛重视，研究机构遍布世界几十个国家和地区。近十几年，压电泵 研究的重点已由以前的注重结构原理向侧重于压电泵的实用化、市场化方向转变。研究内容主 要包括仿真分析、优化设计、加工方法、实验验证以及研制开发适于规模化生产的新型压电材 料等。压电泵总的发展趋势大体有两个方向：一个方向是研究高压、大流量压电泵，这种泵体 积一般较大；另一个是研制微小化、结构简单、低能耗、高输出精度的压电泵。 1 2 1 压电泵的分类 基于不同的结构和原理，压电泵的分类也不唯一。 根据压电振子能量转化方式，压电泵可分为压电薄膜泵和压电超声泵两大类。压电薄膜泵 和压电超声泵的主要区别在于：压电薄膜泵是直接利用压电振子机械变形来改变泵腔体积，通 过阀体对流过的流体产生某种程度的阻力，促使流体产生单向流动；而压电超声泵则是利用压 电振子产生的超声波，无须借助阀即可实现流体的单向( 沿着波的传播方向) 流动。另外需要说 明的是，薄膜泵的驱动方式除了能够用压电振子驱动以外，还可以用许多其它种类的驱动器进 行驱动，如静电驱动器、热驱动器、电磁驱动器、气体驱动器等。 每种压电薄膜泵按驱动元件的不同又可分为压电片驱动式泵和压电叠堆驱动式泵；按阀的 有无，可将压电泵分为有阀压电泵和无阀压电泵；有阀压电泵根据阀的控制方式可分为主动阀 压电泵和被动阀压电泵；根据阀的结构特点，又可分为轮式阀、球阀、伞形阀和悬臂梁阀式压 电泵；无阀压电泵根据泵体结构又可分为锥型管无阀压电泵、异型管类无阀压电泵和温控无阀 压电泵等；此外，压电容积式泵又可分为单腔体和多腔体泵，以及串联、并联等多种形式的压 电泵。 下面将按照有阀压电泵和无阀压电泵的分类方法进行介绍。 1 2 2 压电泵的国内外发展现状 ( 一) 有阀压电泵 早期的压电泵大多属于单向阀式压电薄膜泵，简称有阀压电泵。以下按照被动阀压电泵和 主动阀压电泵的分类方法加以介绍。 2 南京航空航天大学硕士论文 ( 1 ) 被动阀压电泵 据文献报导，压电泵的研究可追溯到2 0 世纪7 0 年代。最早的压电泵结构是由日本学者樽 崎哲二于1 9 7 8 年提出来的f 1 1 l 。该泵主要由泵体、压电振子和两个单向阀构成，如图1 1 所示。 压电振子的往复弯曲变形振动引起泵腔内体积和压力的交替变化，促使单向阀产生开启或关闭 的动作，因此单向阀的开启关闭动作滞后于压电振子的振动。日本山形大学铃木胜义教授等对 压电振子式有阀压电泵进行了试验研究，结果表明，压电振子的工作频率有一个最佳范围，使 压电泵的输出量达到最大。他们制作的压电振子式有阀压电泵的最佳频率为2 3 h z ，1 2 0 v 驱动 电压时的最大输出流量为1 l o m l 1 1 1 i n 。 单向阀 澍n 划妙忒 、7 ，、 忒测志蕊 泵体 压电振子 图1 1 压电振子式有阀压电泵 1 9 9 8 年，澳大利砸s o u t t l 舭l p t o n 大学的m i c h a e lk o c h 等人研制了一种厚p z t 膜( 1 0 0 p m ) 驱动的薄膜微型泵【12 1 ，如图1 2 所示。他在泵膜上直接加工了压电薄膜，最大流量达1 2 0 山m i i l ， 最大背压为2 l ( p a 。 图1 2m i c i l a e lk o c h 等人研制的有阀压电泵 1 9 9 9 年，荷兰的s e b 蠲t i 肌b o h m 在传统压电泵的原理、结构和材料的基础上发明了采用塑 料被动阀的微泵，如图1 3 所示，在不同类型的驱动器驱动的情况下进行了仿真与测量【1 3 1 。 3 “y ”形流管无阀压电泵的研究 了 l2m m | 上 图1 3s e b a s t i a nb o h m 采用塑料被动阀的微泵 2 0 0 4 年，中国吉林大学的阚君武等人研制了一种输送药物用的悬臂梁式有阀压电泵1 4 】，其 原理图和结构图如图1 4 所示，悬臂梁长2 5 衄，最大泵流量达3 5 m l m 砒背压达2 7 k p a 。 l 进口t 二正电霹囊驱动峨34 阔片i5 囊垃i6 出口 上t 阳侧肿眦 a ) 原理图b ) 结构图 图1 4 阚君武等人的有阀压电泵 2 0 0 5 年，美国中佛罗里达大学的b ol i 制作了一种大流量的压电泵，在这种泵里面他们设计 了一种高跟从率的被动阀【1 5 】，如图1 5 所示。 a 泵 a b 阔 c a a 视图 图1 5b ol i 制作的具有高跟从率被动阀的压电泵 ( 2 ) 主动阀压电泵 2 0 0 4 年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校研制了一种主动阀压电泵n 引，如图1 6 所示。该 泵由一个直径1 3 咖，长2 0 i i i m 的压电叠堆和两个压电单晶片盘式主动阀构成。压电叠堆末端连 4 南京航空航天大学硕士论文 接一个隔膜，当压电叠堆带动隔膜上下振动时，泵腔内容积可变。当给压电单晶片盘式主动阀 施加电压时，由于主动阀反应迅速，所以减小了阀的滞后性，同时回流现象也大大得到了抑制。 安装单晶片主动阀的压电泵频宽1 5 k h z ，并且工作频率越高，流量也越大，两者成正比关系。 1 0 0 h z 时，流量为o 3 2 m 1 s ；1 k h z 时流量为3 4 l i l l s 。零流量状态时的输出压力可以达到8 3 m p a 。 压电叠堆 隧虹i 鲤垄皇垦燕墅塑壁 ( a ) 压 电陶瓷屡 屠萋板层 o ) 压奄泵豹结构圈 图1 6 加利福尼亚大学提出的主动阀压电泵 2 0 0 5 年，东京科技大学y o s i d a 和w a t a i l a b e 等人研制了压电叠堆驱动式主动阀压电泵【1 7 】， 如图1 1 7 所示。该压电泵由泵体和阀体两大部分组成。泵体的驱动器采用压电叠堆驱动器，阀 体的阀芯由一个一端带有质量块的压电叠堆驱动。当阀芯向上移动时，进口阀开启，此时泵腔 处压电叠堆向下运动，泵腔容积增大，压力减少，流体被吸入泵腔；随后阀芯向下移动，进口 阀关闭，出口阀打开，此时泵腔处压电叠堆向上运动，泵腔容积减少，压力增大，流体排出泵 腔。若两个压电叠堆往复运动，即可实现泵对流体的连续泵送。 ( 曲原理图 曲) 实物图 图1 7 压电叠堆驱动式主动阀压电泵原理及实物图 5 “y ”形流管无阀压电泵的研究 ( 二) 无阀压电泵 1 9 9 3 年，瑞典的e 缺s t e i n m e 等人创造性地发明了锥形流管无阀压电泵【1 8 】，如图1 8 所示。 因e m 【s t e m m e 等人的无阀压电泵是利用了互为倒置的圆锥形流管机构，所以称之为圆锥形流 管无阀压电泵。这一创造性的工作，使压电泵进入到无阀阶段，同时，也为避免泵阀跟从性差 的问题，开辟了新天地。 压电嘤动器 一， 一 监电删斤 ：l o m m ( 厚：0 2 嗍) 、 夏腔f d ：1 9 m m ， j 匕0 0 ：j卜j卜：凡二：0 习 菇in博耐，艚 k ： 出口 图1 8e r i ks t e m m e 发明的锥形流管无阀泵 1 9 9 5 年，德国的t 0 r s t e n g e d a c h 等人在硅板上开发出了微四方锥形流管无阀压电泵【1 9 】，如 图1 9 所示。他们的工作开创了微压电泵的新局面。但是t o r s t e ng e r l a c h 等制作的锥形流管无 阀压电泵进出口方向( 收缩管出流) 与e 放s t e m m e 设计的压电泵进出口方向相反。t o r s t g e r l a c h 认为出现这一现象的原因在于e m cs t e m m e 的压电泵是用传统技术制造的，体积较大 ( t 0 r s t 锄g e r l a c h 制作的压电泵泵腔尺寸为1 0 l o ( 0 4 o 7 ) 删n 3 ，而且进出口采用的是细 长的锥形管道，因此具有不同的流体动力学特性) 。吉林大学压电驱动研究室的研究发现：锥形 管无阀压电泵的出流方向与锥形管的角度有关，锥形角小于2 0 。时扩张管出流；锥形角在2 0 。1 2 0 。之间时收缩管出流。 6 畦 进出u 的谚奄极幼阔 图1 9t o r s t e ng e r l a c h 的四方锥形流管无阀压电泵 2 0 0 2 年，i v a n oi z z 0 等人利用锥形流管无阀压电泵的原理，在锥形流管侧壁上加上多个小锥 南京航空航天大学硕士论文 形阀，制作成了系列锥形流管无阀压电泵2 川( 见图1 1 0 ) ；图1 11 所示的结构为n i c 0 1 at e s l a 发明 的一种利用流体惯性对流动起到选向作用的流体元件( 简称“t e s f a 阀”) ，使两个流向上呈现明 显的流阻差【2 1 1 。 图1 1 0 多个小锥形的涡旋阀图1 1 1 双环管道阀( t e s l a 阀) 2 0 0 5 年，南京航天航空大学精密驱动研究所张建辉等人利用压电泵泵腔内部的空间，将泵 腔底部沿吸入口和排出口方向设计成非对称群峰