（机械工程专业论文）压电双晶片结构的仿尾鳍式无阀泵改进研究.pdf

南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 摘要 压电泵是流体泵技术和压电驱动技术相结合的产物。传统无阀泵是通过改变泵腔容积，直 接推动流体形成单向流动，从而达到输送液体或者是液体压力增大的效果。但由于传统无阀压 电泵存在流量小，输出效率低等缺点，课题组根据仿生学原理提出了一种仿尾鳍式无阀压电泵， 这种泵在结构上既不属于回转型也不属于容积型泵，是一种新型泵。这种无阀压电泵是根据鱼 的游动特性进行了逆向思考，假使把鱼的头部固定，让鱼尾自由摆动，则根据作用力与反作用 力原理可知，鱼尾的摆动必推动水向后流动，从而形成单向流动。 本文在课题组研究的基础上，设计了几种不同几何形状的振子。在结构上，该泵采用悬臂 梁压电双晶片结构的压电振子，通过改进将压电陶瓷粘贴在基体中间，留出基体的端部从而形 成柔性叶片状，提高了无阀泵的性能。首先对四种压电振子在空气中二阶和三阶进行有限元数 值模拟分析，得出在驱动电压为1 0 0 v 时二阶最大振幅约为1 0 4 3 m m ，三阶最大振幅约为 2 8 6 l i l l 。然后对四种压电振子进行多普勒扫频实验，得出振子的三阶和四阶振型，并测得在三 阶和四阶振型下的振幅。然后，对四种压电振子分别置于泵腔中进行泵压差实验，实验结果表 明，激励电压为3 0 0 v ，矩形振子工作在三阶振型时，谐振频率为3 2 0 h z ，泵的压差为1 7 5 m m ； 梯形振子在三阶振型时，谐振频率为3 1 0 h z 时，泵压差为8 5 m m ；外弧形在三阶振型时，谐振 频率为1 9 5 h z ，泵压差为5 8 m m ；矩形振子在四阶振型时，谐振频率为1 0 3 0 h z 时，泵压差为 5 7 m m 。最后，对四种振子置于水槽中进行流量测量实验，测得初始液面差为6 5 m m 时，激励 电压在2 2 0 v ，矩形振子工作在三阶振型时，谐振频率为3 5 0 h z ，流量为3 4 4 8 m l r i l i n ；梯形振 子工作在三阶振型时，谐振频率为2 9 5 h z ，流量为2 4 3 5 m l i t l i n ；外弧形振子工作在三阶振型时， 谐振频率为3 4 5 h z ，流量为2 3 9 6 m 1 r 1 1 i n ；内弧形振子工作在三阶振型时，谐振频率为3 7 5 h z ， 流量为2 3 6 8 m l h i n 。实验证明了数值仿真可以有效进行方案论证和结构优化。 关键词：压电双晶片，仿尾鳍，无阀压电泵， 振动仿真， 实验 本文工作得到国家自然科学基金( 资助号：5 1 0 7 5 2 0 1 ) 的资助 本文工作在机械结构力学及控制国家重点实验室完成。 压电双晶片结构的仿尾鳍式无阀泵改进研究 a b s r r a c t p i e z o e l e c t r i cp u m p ，c o m b i n e dw i t ht h ep r o d u c t ，i sap 硼叩i nf l u i dt e c h n o l o g ya n dp i e z o e l e c t r i c d r i v i n gt e c h n o l o g y b yc h a n g i n gt h ep u m pc a v i t yv o l u m e ，t r a d i t i o n a lv a l v e l e s sp u m pd r i v e sf l u i dt o f - o mao n e w a yf l o wd i r e c t l y ，a n da c h i e v e st h ee 能c to fc o n v e y i n gl i q u i do rm a l ( i n g1 i q u i d p r e s s u r e a ss m a l lo fo u t p u tn q wa n dl o we f f i c i e n to fd e f e c t so nt h e 臼a d i t i o n a lv a l v e l e s sp u m p ，t h e r e s e a r c hg r o u pp r e s e n ta ni m i t a t i o no fc a u d a lf i nt ) ，p ep u m pw h i c ha c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f b i o n i c s ，a n dt h i sp 姗pi san e w 帅ep u m pw h i c hn e i t h e rb e l o n g st ot h er o t a d ，t ) ，p en o rb e l o n g st ot 1 1 e d i s p l a c e m e m 矶ep u m pi n 协es 廿u c t u r e b y r e v e r s em i n “n g ，t h ev a l v e l e s sp u m pi sb a s e do nf i s h s w i m m i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，i f 也ef i s h sh e a di sf i x e d ，a i l dl e tm e t a i ls w i n g 行e e l y ，w h i c ha c c o r d i n gt o t h ea c t i o na 1 1 dr e a c t i o np r i n c i p l el ( 1 1 0 w a b l e ，t a i ls w i n gw i l lp r o m o t ew a t e rf l o wb a c k w a r d s ，a n df o ma u n i d i r e c t i o n a lf l o w b 2 l s e do nt 1 1 er e s e a r c ho f r e s e a r c hg r o u p ，w ed e s i g n e ds e v e r a ld i 仃e r e n ts h a p e so f p l a n a rv i b r a t o r i nt h i sp a p e r i nt h es 仃u c t u r e ，t h ep u m pa d o p t sap i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rb i m o 叩hs t n l c t u r e p i e z o e l e c t r i cv i b r a t o r ，t 1 1 r o u g ht h ei m p r o v e m e n to ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，s t u c k i n go n 也eb a s e ， l e a v i n gm ee n d s o ft h e f l e ) 【i b l es u b s t r a t et of - o 姗 b l a d e s ，a n d e n h a n c e st 1 1 ev a l v e l e s sp u m p p e m m a n c e f i r s t l y ，t 1 1 r o u 曲 f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a 】s i m u l a t i o na 1 1 a l y s i so ff o u r1 ( i n d so f p i e z o e l e c t r i cv i b r a t o r ，w ef i g u r eo u tt w os t e pa n dt 1 1 r e es t e po i b r a t o ri nt 1 1 ea i r a n do b t a j n s t 、) l ，oo r d e r m a x i m u m 锄p l i t u d eo fa b o u t1 0 4 3 m mi nt h ed r i v i n gv o l t a g eo f10 0 vt h r e eo r d e rm a ) ( i m u m 锄p l i t u d eo f l b o u t2 8 6 m m t h e nm a k ed o p p l e rs w e e pe x p e r i m e n to nf o u rk i n d so fp i e z o e l e c 仃i c v i b r a t o r ，f i g u r i n go u tt h ev i b r a t o rt h r e eo r d e ra n df b u ro r d e rm o d e s ，a n dm e a s u r e da m p l i t u d ei nm r e e o r d e ra n df o u ro r d e rv i b r a t i o nm o d e t h e n ，f b u rk i n d so fp i e z o e l e c t r i cv i b r a t o ra r er e s p e c t i v e l y a 丌a j l g e di nt h ep u m pc h 锄b e ri nt h ep u m pa j l dm a k ep r e s s u r ee x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a tu n d e rt h e 印p l i e dt h ev o l t a g e so f3 0 0 vw h e nt h er e c t a n g l ev i b r a t o rw o r k si nt 1 1 et h i r d v i b r a t i o nm o d ev ，h o s eh 踟o n i c 仔e q u e n c yi s3 2 0h z t h eo u t p u tp r e s s u r ed i 丘e r e n c ec o m e st o17 5 m m w a t e rc o l u m n s m e nt h e 仃a p e z o i ds h a p ev i b r a t o ra p p l i e dw i t l lt h es 锄ev o l t a g ew o r k si nt 1 1 e 1 i r d v i b r a t i o nm o d eo f310h z ，m eo u t p u tp r e s s u r ei s8 5m mw a t e rc o l u m n s m e nt h e 打cs h a p ev i b r a t o r a p p l i e dw i t ht h es 锄ev 0 1 t a g ew o r k si nt h et h i r dv i b r a t i o nm o d eo f19 5h z ，t h eo u t p u tp r e s s u r ei s5 8 m mw a t e rc o l u m n s a n dw h e nt h er e c t a n g l ev i b r a t o rw o r k si nt h ef o u r t hv i b r a t i o nm o d eo f10 3 0h z u n d e rt h es a m ev 0 1 t a g e s ，t h eo u t p u tp r e s s u r er e a c h e s5 7w a t e rc o l u m n s f i n a l l y ，o nf o u rv i b r a t o ri s d i s p o s e di nt h et a n kf o rf l o wm e a s u r e m e n t ，a n dw h e ni n i t i a ll i q u i dl e v e ld i 髋r e n c ei s6 5 m m ，a j l d u n d e rt h ea p p l i e dt h ev o l t a g e so f2 2 0 v ：w h e nt h er e c t a n g l ev i b r a t o rw o r l ( si nt h et h i r dv i b r a t j o nm o d e 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 w h o s eh a j t n o n i c 行e q u e n c yi s3 5 0h z t h ef l o wc o m e st o3 4 4 8 m l m i n w h e nt h et r a p e z o i ds h a p e v i b r a t o ra p p l i e dw i t ht h es a n l ev 0 1 t a g ew o r k si nt h et h i r dv i b r a t i o nm o d eo f2 9 5h z ，t h ef l o wc o m e st o 2 4 3 5 m 1 ) m i n w h e nt h ea r cs h a p ev i b r a t o r 印p l i e dw i t ht h es 姗ev o l t a g ew o r k si nt h et h i r dv i b r a t i o n m o d eo f3 4 5h z ，t h en o wc o m e st o2 3 9 6 m l m i n m e nt h ei n n e ra r cs h 印ev i b r a t o r 印p l i e dw i t ht h e s 锄ev o l t a g ew o r k si nt h et h i r dv i b r a t i o nm o d eo f3 7 5h z ，t h en o wc o m e st o 2 3 6 8 m l m i n e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a ne a e c t i v e l yc a r d ，o u tt h es c h e m ea 唱u m e n t a t i o n a 1 1 ds t n 】c t u r eo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i cb i m o r p h ，i m i t a t i o no fc a u d a l - f i n ，v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i c ， v i b r a t i o n s i m u l a t i o n s ， e x p e r i m e n t s 压电双晶片结构的仿尾鳍式无阀泵改进研究 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 图清单 图1 1 压电泵的分类2 图1 2 压电振子式有阀压电泵3 图1 3m i c h a e lk o c h 等人研制的有阀压电泵4 图1 4s e b a s t i a nb o h i i l 采用塑料被动阀的微泵4 图1 5阚君武等人的有阀压电泵4 图1 6b ol i 制作的具有高跟从率被动阀的压电泵5 图1 7 加利福尼亚大学提出的主动阀压电泵5 图1 8 压电叠堆驱动式主动阀压电泵原理及实物图6 图1 9e r i ks t e m m e 发明的锥形流管无阀泵7 图1 1 0t o r s t e ng e r l a c h 的四方锥形流管无阀压电泵7 图1 1 1多个小锥形的涡旋阀8 图1 1 2双环管道阀( t e s l a 阀) j 8 图1 - 1 3 “y ”形流管无阀压电泵及其流管8 图1 1 4 异型管无阀压电泵9 图1 1 5 非对称坡面无阀压电泵9 图1 1 6 四面体嵌块无阀压电泵1 0 图1 1 7 仿鱼尾摆动式无阀压电泵原理图和实物图11 图2 1 压电效应与逆压电效应1 4 图2 2 压电陶瓷的极化1 5 图2 3 压电振子的阻抗特性曲线2 1 图3 1 矩形振子网格2 2 图3 2 矩形振子模型2 2 图3 3 矩形振子在空气中的谐振频率2 3 图3 4 矩形振子在空气中的二阶振型2 4 图3 5 矩形振子在空气中的三阶振型2 4 图3 6 梯形振子网格2 5 图3 7 梯形振子模型2 5 图3 8 梯形振子的谐振频率2 5 图3 9 梯形振子在空气中的二阶振型2 6 图3 1 0 梯形振子在空气中的三阶振型2 7 图3 1 1内弧形振子网格2 7 图3 1 2内弧形振子模型2 7 图3 1 3内弧形振子的谐振频率2 8 图3 1 4内弧形振子在空气中的二阶振型2 8 图3 1 5内弧形振子在空气中的三阶振型2 9 图3 1 6 外弧形振子网格2 9 图3 17 外弧形振子模型2 9 压电双晶片结构的仿尾鳍式无阀泵改进研究 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 5 图5 2 6 图5 2 7 图5 2 8 外弧形振子的谐振频率3 0 外弧形振子在空气中的二阶振型3 0 外弧形振子在空气中的三阶振型3 l 信号发生器、低频功率放大器和泵样机3 2 p s v 一3 0 0 f b 激光测振系统模块示意图一3 3 矩形振子在空气中的扫频曲线3 3 矩形振子在水中的扫频曲线3 3 振子在二阶振型下的实测结果3 4 振子在三阶振型下的实测结果3 4 振子在空气中的二阶时的工作频率端部振幅曲线( 6 0 v ) 3 5 振子在空气中三阶振型时工作频率端部振幅曲线( 6 0 v ) 3 5 振子在水中三阶振型时工作频率端部振幅曲线( 6 0 v ) 3 6 振子在水中四阶振型时工作频率端部振幅曲线( 6 0 v ) 3 6 三阶时空气中与水中频率一端部振幅曲线对比( 6 0 v ) 3 6 无阀泵的结构图4 0 无阀泵结构分解图4 1 仿尾鳍式压电振子4 1 矩形振子4 2 梯形振子4 2 外弧形振子4 2 内弧形振子4 2 泵腔出水口设置4 3 压电振子实物图4 3 压电泵泵实物图4 3 信号发生器、功率放大器、泵样机4 4 矩形振子的电压压差曲线4 5 梯形振子的电压压差曲线4 5 外弧形振子的电压压差曲线4 6 电压压差曲线汇总4 6 矩形振子的频率压差曲线( 3 2 0 h z ) 4 7 矩形振子的频率压差曲线( 1 0 3 0 h z ) 4 7 梯形振子的频率压差曲线4 7 外弧形振子的频率压差曲线4 8 频率压差曲线汇总4 8 在水槽中振子工作性能试验4 9 泵流量测量装置图5 0 矩形振子的电压流量曲线51 梯形振子的电压流量曲线5 1 外弧形振子的电压流量曲线5 2 内弧形振子的电压流量曲线5 2 电压流量汇总5 2 矩形振子的频率流量曲线5 4 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 图5 图5 图5 图5 表2 1 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 ：表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 9 表4 1 0 表4 1 l 表4 1 2 表4 1 3 表4 1 4 表4 1 5 表4 1 6 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表5 8 表5 9 表5 1 0 表5 1 1 表5 1 2 表5 1 3 表5 1 4 表5 1 5 表5 1 6 梯形振子的频率流量曲线5 4 外弧形振子的频率流量曲线5 4 内弧形振子的频率流量曲线5 5 频率流量曲线汇总5 5 常用压电陶瓷应用及其主要特征2 1 四种压电振子在空气中二阶和三阶的谐振频率和振幅3 1 矩形振子在空气中的二阶共振频率附近时的振幅3 7 矩形振子在水中的三阶共振频率附近时的振幅3 7 矩形振子在空气中的三阶共振频率附近时的振幅3 7 矩形振子在水中的四阶共振频率附近时的振幅3 7 梯形振子在空气中的二阶共振频率附近时的振幅3 7 梯形振子在水中的三阶共振频率附近时的振幅3 8 梯形振子在空气中的三阶共振频率附近时的振幅3 8 梯形振子在水中的四阶共振频率附近时的振幅3 8 外弧形振子在空气中的二阶共振频率附近时的振幅：3 8 外弧形振子在水中的三阶共振频率附近时的振幅3 8 外弧形振子在空气中的三阶共振频率附近时的振幅3 8 外弧形振子在水中的四阶共振频率附近时的振幅3 8 内弧形振子在空气中的二阶共振频率附近时的振幅3 9 内弧形振子在水中的三阶共振频率附近时的振幅3 9 内弧形振子在空气中的三阶共振频率附近时的振幅3 9 内弧形振子在水中的四阶共振频率附近时的振幅3 9 压电泵实验电学参数4 3 矩形压电振子的电压压差数据4 6 梯形压电振子的电压压差数据4 6 外弧形压电振子的电压压差数据4 6 矩形压电振子的频率压差数据( 3 2 0 h z ) 4 8 矩形压电振子的频率压差数据( 1 0 3 0 h z ) 4 8 梯形压电振子的频率压差数据4 8 外弧形压电振子的频率压差数据4 9 矩形振子电压流量数据( 3 6 5 h z ) 5 3 梯形振子的电压流量数据( 2 9 5 h z ) 5 3 外弧形振子的电压流量数据( 3 3 5 h z ) 5 3 内弧形振子的电压流量数据( 2 9 5 h z ) 5 3 矩形振子的频率流量数据( 2 2 0 v ) 5 5 梯形振子的频率流量数据( 2 2 0 v ) 5 5 外弧形振子的频率流量数据( 2 2 0 v ) 5 5 内弧形振子的频率流量数据( 2 2 0 v ) 5 6 压电双晶片结构的仿尾鳍式无阀泵改进研究 占 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 压电常数 居里温度 振子的宽度 陶瓷片的厚度 振子的平均输出功率 泵的长度 泵的厚度 注释表 c压电陶瓷的电容 谐振频率 反谐振频率 泵的流量 振子的阻尼比 液体的密度 测振试验采用电压 振子的厚度 振子的长度 流量测量实验采用电压 振子的位移 振子的运动速度 厶q c p 巧啊， 吃办 v 妒q k j 瓦b 厶q 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 近几十年来，随着微机电系统( 砸m s ) 技术的发展，微型泵作为微机电系统的一个重要 分支，近年来取得了飞跃的发展。泵是一种用于液体增压或是输送流体的机械。从能量的观点 来说，泵是一种转换能量的机械，它使电能转化为被输送液体的机械能，从而起到输送液体或 使输送液体的压力增大的作用。 传统泵一般由电机驱动的，人们在设计方法和制造技术上都已经达到了十分完善的程度 。2 j 。但受工作原理和结构的限制，如需要附加驱动电机，其体积大受电磁干扰，不易控制微小 流量，在当前宇宙飞船、人造卫星、飞机、汽车、机器人、医疗、精密仪器及其他微机电系统 的应用方面难以得到满足。因此，世界各国都在加紧研究各种类型的泵以满足当前日益增长的 工业需要。 然而，在众多不同驱动原理的微型泵中，压电泵是基于压电驱动原理开发出来的一种新型 结构的微型泵。压电泵是流体泵技术和压电驱动技术相结合的产物，压电驱动技术主要是通过 压电驱动微小型阀和微小型泵在微小型机电液系统中得以应用【】。自二十世纪七十年代末第一 个压电泵模型被提出来后，压电泵以特殊的性能和独特的工作方式日益受到各国学者们的广泛 重视。压电泵作为一种新型流体驱动器，它不需要附加任何驱动电机，而是利用压电材料的逆 压电效应使压电振子产生变形，再由变形产生泵腔容积的变化，在有阀泵中，推动阀体开启或 关闭使得流体形成单向流动，进而是达到流体输出或使输送液体的压力增大。而在无阀泵中， 通过改变泵腔容积，直接推动流体形成单向流动，从而可以达到流体输出或使输送液体的压力 增大的效果。压电泵与传统泵相比，其特点是：结构简单、体积小、重量轻、无噪声；压电泵 与其他微型泵相比，其特点是：耗能低、无电磁干扰、易控制、便于微小型化。基于以上优点， 压电泵具有相对广泛的应用领域，在制药、医疗器械、化学分析以及汽车发动机燃料供给等领 域都有所应用。 但是由于压电驱动本身的问题( 变形小、能量转换效率低、发热量随着尺寸增加而急剧增 加) 限制了压电泵的进一步发展。所以与传统泵相比有存在很多不足流量小、效率低以及 大型化困难等，这些外界条件注定压电泵只能向微小型化发展，然而效率低，流量小也是世界 各国学者们主要解决的问题。目前，日本、美国、荷兰、瑞典、英国、德国、新加坡等国家都 在进行压电泵的研制工作。历经数年的发展，具有某些功能的小型压电泵已经在日本商品化了， 这也给压电泵的研究者们以很大的信心，而满足更高功能要求的压电泵正在进一步研制中。国 内从事这方面的机构还很少，但发展也很迅速，国内很多高校及科研单位纷纷投入到压电泵的 压电双晶片结构的仿尾鳍式无阀泵改进研究 研究行业中来，如：清华大学、上海交通大学、 所等。但真正应用到实际的工业中去的还很少， 1 2 压电泵的分类及发展现状 哈尔滨工业大学、南京航空航天大学精密驱动 还有待于研究者们不懈的努力。 压电泵是集机械、电子、材料以及流体力学等诸多学科于一体的综合性研究课题。压电泵 将传统泵的驱动源部件、传动部件以及泵体这三部分合为一体，它克服了由于运动部件导致的 压力的损失、疲劳破坏、磨损和那些可能对某些敏感流体所造成的破坏，使其简化了泵体的结 构。作为压电泵的主要部件压电陶瓷能够精确地按照其驱动电压和频率，使压电泵的输出 流量不需要使用节流机构来调节，通过改变频率或电压能更方便地加以控制。压电泵是将压电 振子激发的振动直接作用于液体，从而使液体压力增大或使液体单向流动的一种新型压电驱动 技术，因此压电泵是一种涉及多种领域的流体机械。压电泵的发展方向大体有两个：一个就是 作为研究高压、大流量压电泵，这种泵的体积一般较大；另一个就是研究微小型化、结构简单、 低耗能、高输出精度的压电泵。 1 2 1 压电泵的分类 压电泵按照不同的角度，其分类也不唯一。根据有无阀可分为：有阀压电泵和无阀压电泵。 根据泵腔容积是否变化又可分为：容积型泵和非容积型泵。按照泵腔的形式又可分为：单腔体 和多腔体压电泵。综上所述，我们主要按照容积的变化来划分，如图1 1 所示。容积型泵的共 同点就是：利用泵腔的容积变化来驱动流体产生压力增加或流体单向流动。由于其原理简单， 效率较高，因而容积型是当前研究的主流。如果泵工作不是依靠泵腔容积变化的，则均归于非 容积型压电泵。这一类泵的原理相对较为特别。 2 f l 南 非容积式泵 厂l 压 电 螺 杆 泵 图1 1 压电泵的分类 温 控 式 压 电 泵 压 电 超 吉 泵 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 1 2 2 发展状况 下面按照有阀压电泵和无阀压电泵的分类进行介绍如下。 ( 一) 有阀压电泵 大多早期的压电泵在泵的进出水口处采用了一对相反的单向阀，因而简称有阀压电泵。有 阀压电泵依据其阀的工作特点还可以分为主动阀压电泵与被动阀压电泵两种。被动阀是指压电 泵中的阀体为被动阀，主动阀则指压电泵中的阀体为主动阀。 ( 1 ) 被动阀压电泵 由于被动阀原理简单且最容易实现，故最早被提出来。据文献报导，被动阀压电泵的研究 可追溯到2 0 世纪7 0 年代。最早被动阀泵是由日本学者樽崎哲二于1 9 7 8 年提出来的拈1 。该泵是 由压电振子、泵体和两个单向阀组成，如图1 2 所示。在吸尘时，压电振子往下弯曲振动，泵 腔容积变大，借助水的压力，使进水口的阀门打开，出水口的阀门关闭，这样水就进入泵腔中； 在排尘时，压电振子往上弯曲振动，泵腔容积变小，由于水的压力作用，使得进水口的阀门在 水的推力下关闭，出水口的阀门打开。这样经过吸尘和排尘两个阶段，该泵完成一个周期也就 完成一个流体的单向流动。日本山形大学铃木胜义教授对有阀压电泵进行试验研究，实验结果 表明，压电振子的工作有一个最佳频率范围，在这频率下，压电泵能达到最佳输出状态。他们 制作的压电振子有阀压电泵的最佳频率在2 3 h z 范围内，在驱动电压为1 2 0 v 时最大输出流量 达到1 1 0 m l m i n 。 单翔阀 划八斛忒 7f 添腻 桑体版电振子 图1 2 压电振子式有阀压电泵 1 9 9 8 年，澳大利亚s o u 也a m p t o n 大学的m i c h a e lk o c h 等人利用相似原理选用新型的p z t 膜( 厚约1 0 0 u m ) 作为驱动元件从而研制了薄膜微型剥6 1 ，他在泵的膜上直接粘贴了压电薄膜， 可以使泵的流量达到1 2 0 u l m i n ，并且最大背压能达到2 l ( p a ，如图1 3 所示。 3 压电双晶片结构的仿尾鳍式无阀泵改进研究 图1 3 m i c h 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 a l s t i a l lb o h m 根据传统压电泵的原理、结构和材料，发明了采用塑料被 动阀的微型泵，并在不同类型的驱动器驱动，进行了仿真与测量【7 】如图1 4 所示。 图1 4s e b a s t i a nb oh l i l 采用塑料被动阀的微泵 2 0 0 4 年，吉林大学的阚君武等人研制了一种能输送药物用的悬臂梁式的有阀压电泵【8 】 最 大泵流量达3 5 m l m i n ，悬臂梁长2 5 m m ，背压能达到2 7 k p a 其原理图和结构图如图1 5 所示。 4 c a n t l i 州c r v h l v c 越 ( a ) 原理图( b ) 结构图 图1 5 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 等人制作了一种大流量的压电泵，在这种泵里面他们设 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 计了一种高跟随性的被动式有阀泵【9 】如图1 6 所示。 a ，p u m p a b v 魏k 巷 c a - av i e w 图1 6b 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 从上文几种被动阀压电泵可知，被动阀压电泵的原理简单，故成为当时研究的主流。但被 动阀有明显的劣势：被动阀的跟随性较差，阀门的开启与关闭与压电振子有一个相位差。所以 在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【1 0 】，主要用于解决被动 阀跟随性差等问题，从而提高了泵的效率和流量。如图1 7 所示，该泵由一个长2 0 m m ，直径 为1 3 m m 的压电叠堆以及两个压电单晶片的盘式主动阀组成。在压电叠堆末端连接一个隔膜， 当压电叠堆上下振动时，泵腔内容积是可变的。当给主动阀施加电压时，由于主动阀反应迅速， 因而减小了阀的滞后性，并在此时泵的回流现象也得到了抑制。安装在单晶片上的主动阀压电 泵的频宽为1 5 h z ，随着频率的升高，泵流量也越大，两者成正比。实验测得在1 0 0 h z 时，泵 的流量为0 3 2 m ：在l k h z 时，泵的流量为3 4 m 珧。零流量状态时泵的输出压力可以达到 8 3 m p a 。 蜓电畚堆 p z w 下1 0 0 压l ：! 叠堆驱动器 ( a ) 琢 ( b ) 限电泉的结构阳 图1 7 加利福尼贬大学提出的主动阀压电泵 乜陶瓷层 橙纂扳屡 5 压电双晶片结构的仿尾鳍式无阀泵改进研究 2 0 0 5 年，东京科技大学w a t a n a b e 和y o s i d a 等人研制了压电叠堆式主动阀压电泵u u ，如图 1 8 所示。该压电泵是由阀体和泵体两部分组成。泵体采用压电叠堆式驱动器，阀体的阀芯由 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，此时出口阀关闭，同时泵 腔处压电叠堆向下运动，这时泵腔容积增大，从而使得流体被吸入泵腔。经过另半个周期，当 阀芯向下运动时，进口阀关闭，此时出口阀打开，同时泵腔处压电叠堆向上运动，这时泵腔容 积减少，从而将流体从泵腔中排出。这样就完成泵的一个周期，若这样往复运动即可完成泵对 流体的输送作用。 阔芯 质量陕 ( a ) 原理圈 ( b ) 实物圉 图1 8 压电叠堆驱动式主动阀压电泵原理及实物图 ( 二) 无阀压电泵 相对于有阀压电泵来说，无阀压电泵顾名思义不是依靠阀体来使流体单向流动也就是说没 有控制流体的单向阀，因而在泵的整个工作期间，泵腔中的流体是连续的。瑞典的e r i k s t e 衄e 等人在1 9 9 3 年创造性发明了锥形流管无阀压电泵2 1 ，如图1 9 所示。e r i k s t e 姗e 等人研制的 无阀压电泵是利用了互为倒置的圆锥形流管机构，因而称之为圆锥形流管无阀压电泵。这一创 造性的发明，使压电泵进入了无阀泵阶段，同时也解决了泵阀跟随性差的问题，为压电泵的研 究开辟了新的天地。这种锥形流管压电泵是利用进出口流阻差形成流体单向流动的。在吸尘时， 泵腔中的容积变大，流体经过两个互为倒置的圆锥形流管向泵腔里流动。由于流阻差，使得经 过进水口的流体较多，出水口的较少。相反在排尘阶段，经过出水口的流体比经过进水口的流 体多。这样在宏观上就形成了单向流动。无阀泵的优势在于结构相对简单，容易集成和微小型 化。但缺点也十分明显：泵的流量和效率均较低并且还有回流。然而该类型无阀泵的原理是具 有开创性的，因而在后来大多数的无阀泵研究中大多是基于进出流阻差这一原理而设计的。 6 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 图1 9 e r i ks t e 唧e 发明的锥形流管无阀泵 1 9 9 5 年，德国的t o r s t e n g e r l a c h 等人在硅板上研制了微四方锥形流管无阀压电泵1 1 3 】，如 图1 1 0 所示。他们开创了微型无阀压电泵的新局面。t 0 r s t e n g e r l a c h 等人研制的锥形流管无阀 压电泵的进出口方向与e r i ks t e m m e 设计的锥形无阀压电泵进出口方向刚好相反。t o r s t e n g e r l a c h 认为出现这一现象的主要原因在于e r i l 【s t e m m e 的泵体积较大，因此t 0 r s t e ng e r l a c h 所 研制的泵腔尺寸为1 0 1 0 ( o 4 o 7 ) m m 3 ，并且进出口采用的是细长的锥形管道，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者们经研究发现：锥形管的无阀泵的进 出口的流动方向与锥形管的角度有关，并且锥形角小于2 0 。时液体从扩张管口流出；锥形角在 2 0 。1 2 0 。之间时液体从收缩管口流出。 图1 1 0t 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 o 等人基于前人设计的锥形流管无阀压电泵的设计理念，在锥形流管的 侧壁上加了多个小锥形流管，制成了一系列锥形流管无阀压电泵“4 | ，如图1 1 1 所示，美国人 f k f o r s t e r 等人利用n t e s l a 阀发明的双环管道阀1 ，如图1 1 2 所示，从而制成双环管道无 阀压电泵1 7 。 7 压电双晶片结构的仿尾鳍式无阀泵改进研究 图1 1 1 多个小锥形的涡旋阀 图1 1 2 双环管道阀( t e s l a 阀) 1 9 9 9 年，南京航空航天大学张建辉等人提出并制作了“y ”形流管无阀压电泵，并对该泵 做了大量实验n 8 。2 引，在实验中对有阀泵的阀片的滞后性乜圳、气穴现象口朝和压电泵噪音方面乜6 1 也作了深入研究。“y ”形流管压电泵是采用一种特殊流管即“y ”形流管作为其无移动部件， 如图1 1 3 ( a ) 所示。“y ”形流管无阀压电泵的工作原理与锥形流管无阀压电泵的工作机理相近： 均是利用了流管正反向流阻不同而实现泵的宏观流动。然而“y ”形流管无阀压电泵的“y ”形