毕业设计（伦文）-单腔体双振子压电泵结构设计

单腔体双振子压电泵结构设计摘要本次设计的对象为单腔双振子压电泵。该泵的两个振子采用错位结构，使用伞型橡胶阀作为截止阀。制作试验样机，研究在不同工作频率下，不同驱动形式对单腔双振子压电泵的输出性能的影响和输送不同介质时压电泵的输出情况。本次设计中采用基板直径为35mm、陶瓷直径为29mm压电单晶片振子，建立了压电振子振动的力学模型，确定了压电泵初始容积为3.4×10-7m3，在80V电压的驱动下的容积变化量为7.5×10-8m3。在实验中，分别对不同频率下，同步驱动和异步驱动时压电泵的输出液体流量和压力进行了测量。测得异步驱动下最大输出流量为269.4ml/min，最大输出压力为89.8kPa。同时对压电泵驱动气体的情况进行了试验研究，发现同步驱动下气体的输出效果要好于异步驱动。关键词：压电泵单腔双振子输送气体输送液体

ABSTRACTTheobjectofthisdesignisasinglecavitydoublevibratorpiezoelectricpump.Thetwovibratorsofthepumpadoptadislocationstructure,anduseanumbrella-shapedrubbervalveasashut-offvalve.Asamplepumpwasfabricatedtostudytheeffectofdifferentdrivingmodesontheoutputperformanceofasingle-chamberdual-vibratorpiezoelectricpumpatdifferentoperatingfrequenciesandtheoutputofthepiezoelectricpumpwhenconveyingdifferentmedia.Inthisdesign,apiezoelectricsingle-chipvibratorwithasubstratediameterof35mmandaceramicdiameterof29mmwasusedtoestablishthetheoreticalmechanicalmodelofthepiezoelectricvibrator.Thevolumechangeamountunderis7.5×10-8m3,Intheexperiment,theoutputflowandpressureofthepiezoelectricpumpweremeasuredatdifferentfrequenciesundersynchronousdriveandasynchronousdrive.Themeasuredmaximumoutputflowunderasynchronousdriveis269.4ml/mandthemaximumoutputpressureis89.8Mpa.Atthesametime,anexperimentwascarriedoutonthedrivingofdifferentfluids(gasandwater)bythepiezoelectricpump,anditwasfoundthattheoutputeffectofthegasunderthesynchronousdriveisbetterthantheasynchronousdrive.KeyWords：PiezoelectricpumpSingle-chamberDouble-vibratorTransportgasTransportliquid目录TOC\o"1-3"\h\u17994摘要 18453ABSTRACT 229983第1章绪论 589321.压电泵的发展 5221492.压电泵的种类及工作原理 549292.1有阀压电薄膜泵 5273652.2无阀压电薄膜泵 7154562.3压电超声泵 8309493.国外压电泵的研究现状 8168714.国内压电泵的研究现状 10304345.压电泵的技术展望与应用前景 1117628第2章压电理论 12321001.压电效应 12288882.压电材料的发展简介 129813.压电材料性质的参数 13221653.1介电常数 13115623.2介质损耗 14180713.3弹性常数 14178533.4机械品质因子 15156733.5压电常数 15129123.6机电耦合系数 15205963.7频率常数 1629044.压电陶瓷的退极化 16128145.压电振子的性能参数 16136286.压电振子的支承方式 173446第3章结构设计 18185351.压电泵泵腔结构设计 18209671.1压电泵泵腔初始容积计算 18140501.2压电泵泵腔初始容积的确定 20128462.单腔体双振子压电泵的理论输出 22300843.压电泵结构 22304244.单腔体单振子压电泵工作原理 24310535.单腔双振子压电泵的工作原理 24109016.伞形橡胶阀的结构 25213047.双振子压电泵电信号的驱动形式 2612429第4章实验测试分析 27114601.实验仪器 27280742.振子驱动方式对性能影响 28296383.输送不同介质时对性能的影响 2927464.实验结论 3032502第5章结论 316189参考文献 33

第1章绪论1.压电泵的发展目前国际上研制的微型泵有相当一部分都是压电泵，压电泵在各个领域中均有所涉及。。压电泵的理论在无数科研人员的努力下，渐渐丰富，理论的研究成果也趋于完善。从三十多年前的蹒跚学步，到如今的理论联系实际，经历了许多困难，但是科学研发者们依然保持着向前的脚步。压电泵与传统的泵相比，操作难度相对较高，压电泵的理论虽然很丰富，但是在实际应用中，总会出现这样那样的问题，导致压电泵在实际生产中的效果不理想。有许多领域都有着拥有特殊要求的压电泵的期望。但是由于压电泵应用技术方面的限制，导致现有的压电泵的性能无法满足他们的要求。所以，压电泵距离能够广泛使用还需要科研学者们继续努力。实际生产中，使用者们都希望压电泵能够更加小型化，输出的流量能够更加精准，消耗的能源能够越少越好。所以，压电泵的发展也应该向着这些方面进行。2.压电泵的种类及工作原理2.1有阀压电薄膜泵压电泵中数量和种类最多的就是有阀压电薄膜泵，可以简单称其为有阀压电泵。影响有阀压电泵性能的因素有压电振子的结构类型，腔体连接方式和数量。根据影响因素，有阀压电泵又被分为三类，分别是压电片式有阀压电泵，压电片式多腔体有阀压电泵和叠堆式有阀压电泵。现分别对这三类的工作原理进行介绍。2.1.1压电片式有阀压电泵图1.1压电片式有阀压电泵如图1.1所示，泵体、单向阀和压电振子三部分组成了压电片式有阀压电泵。其工作时压电振子振动，上下往复弯曲，产生变形，泵腔内压力在增大和减少之间来回变化，由于单向阀的作用使得流体在泵腔内单向流动，这就是该泵的工作原理。具体情况为，压电振子振动向下弯曲，使得泵腔体积增大，相对应的腔体内压力减小，在大气压力的作用下，进口处的单向阀被打开，出口处的单向阀被关闭，流体从入口处流入；排出流体时，与此相反，进口处的单向阀被关闭,出口处的单向阀被打开，流体从泵腔中排出，多次重复此过程，就形成了流体的单方向连续性输送。2.1.2多腔体有阀压电泵在这里，我们通过日本东北大学电子工程系研制出的压电泵来对多腔体有阀压电泵进行举例说明。它们的结构分别为两腔四阀(并联)和两腔三阀(串联)的压电泵结构。他们的工作原理都是一样的，都是通过一个腔体吸入流体的同时，另一个腔体输出流体来实现流体的输送。在低频率（20~40Hz）时,并联泵的输出效果非常好，约为同结构单腔泵的两倍。两腔三阀串联泵与两腔四阀并联泵的结果不同，在频率40~80Hz时，其输出流量比同条件下单腔泵的输出流量要大，但是在低频率（40Hz以下）下工作时，其输出效果与并联泵相比就大大不如了。从上两个实例得出的结果分析，压电泵的连接方式对压电泵的性能有影响，阀的数量增加和腔体数量的增加对提高压电泵输出效果有积极作用。2.1.3叠堆式有阀压电泵如图1.2所示，美国麻省理工学院使用压电叠堆振子制作出了一种能在高频率下输送大流量流体的叠堆式有阀压电泵。其工作原理与压电片式有阀压电泵的工作原理相似。都是通过压电振子垂直方向上的变形引起型腔内压力的变化，来达到输送流体的目的的。如图1.3所示的日本研制的体积微小压电叠堆泵工作原理也是如此。图1.2压电叠堆式有阀压电泵图1.3利用管路惯性研制的压电叠堆泵(日本)如图1.4所示，与压电片式有阀压电泵不同之处在于，叠堆式有阀压电泵可以安装位移放大结构。该机构可以通过将薄膜的位移变化放大，使得泵腔腔体体积增加，泵的输出性能就会比压电片式有阀压电泵要好。图1.4压电叠堆放大式有阀压电泵2.2无阀压电薄膜泵图1.5锥型管无阀压电泵由于无阀压电泵在加工工艺和集成方式上还存在一定困难，所以为了解决这一问题，人们通过研究，发现可以通过特殊结构的管道和流体的粘度特性来代替复杂的阀结构。于是人们又研制出了无阀压电薄膜泵。2.2.1锥型管无阀压电泵如图1.5所示，1993年，瑞典查尔姆斯理工大学计算机工程系的研究人员以流体通过收缩管/扩张管时，会产生不同阻力的原理制造出了无阀压电泵,这种无阀压电泵被称为锥型管无阀压电泵。这种泵没有可移动的阀体。当腔体增大时，流体经过出口即收缩管时，产生的阻力大于出口处的阻力，流体的压力损失大于入口即扩张管处，流体被吸入泵腔。反之,当泵腔的体积减小时,流体经过扩张管时，产生的阻力大于收缩处的阻力，流体的压力损失大于出口处流体被排出泵腔。瑞典Royal工业大学仪表实验室通过将德国IImenau科技大学机械工程学院制作的锥型管无阀压电泵的两个腔体并联，比较了两个腔同时吸入同时排出和两个腔体中一个腔体吸入，另一个腔体排出两种情况下的输出效率。结果发现两个腔交叉工作时的效率比两个腔同步工作的效率高两倍。1999年，该实验室又将双个腔体串联进行研究，发现串联后，泵的输出效率优于单腔体泵。最后，以色列TelAviv大学工程学院对德国IImenau科技大学机械工程学院制作的锥型管无阀压电泵两腔串联和并联的情况进行了总结分析，通过数据的总结分析，得出锥型管无阀压电泵两腔串联能获得比并联更高的效率的结论。2.2.2异型管无阀压电泵如图1.6所示，美国华盛顿大学机桃工程系研制出了一种由阀，泵腔、压电振子、导电环氧树脂等组成的异型管无阀压电泵，又被称为固定阀微型泵。它使流体实现单向流动的原理是依靠特殊的管道路径形状。这种异型管无阀压电泵中没有运动阀体，所以输送流体时不需要考虑堵塞问题，导致它可以输送的液体中含有固体悬浮颗粒的流体。图1.6异型管无阀压电泵图1.7温控无阀压电泵2.2.3温控无阀压电泵如图1.7所示，日本AIST/MITI机械工程实验室利用液体粘度会随温度变化而变化这一原理研发了一种温控无阀双向流体压电泵。在压电振子通电的同时，出口加热器接通电源，进口加热器切断电源,流体从进出口同时排出，但由于入口处流体温度降低，流体粘度升高，出口处流体温度升高，流体粘度降低，出口处的流体更加容易流出。相反，压电振子断电的同时进口加热器接通电源，出口加热器切断电源，入口处的流体更加容易进入。循环往复，就实现了流体的单向连续输出。2.3压电超声泵图1.8压电超声泵一种利用超声弯曲波的压电泵被新加坡南洋科技大学和美国加利福尼亚大学联合研制出来,简称为超声泵。它通过利用超声波的能量，来推动泵腔内流体，使其跟着超声波的传播来实现定向流动。如图1.8所示，美国喷气驱动实验室研制了一种超声波中的弯曲行波驱动的压电泵。由于行波中存在波峰波谷，所以通过使行波的传播保持在同一个频率上，两个膜片交界的面上就形成了多重的封闭腔。可以通过这些封闭腔来输送流体，行波的方向就是流体的传输方向。3.国外压电泵的研究现状从压电泵的出现到现在，国外研发出了各种类型的压电泵。1978年，日本学者樽崎哲二研发了一种主要部件为压电膜片的压电泵，其结构如图1.9所示。图1.9樽崎哲二的压电泵图1.10东京国家航空实验室研制的压电泵1978年，日本东京国家航空实验室研发出一种利用双压电晶体振子的应变原理的压电泵，其结构如图1.10所示。1986年，美国波士顿东北大学的学者W.WANG和R.CARTER研发出一种压电泵,其结构如图1.11所示，它通过压电振子纵振驱动。图1.11W.WANG和R.CARTER的压电泵图1.12南洋理工大学研制的压电泵1999年，新加坡南洋理工大学的Y.H.Mu,N.P.HungandKA.Ngoi等人研制出了一种无阀压电泵，其结构如图1.12所示。该泵的工作原理是利用液体流过进出口时的阻力不同来实现液体的输出。2001年，利用压电陶瓷片能够产生行波的原理美国国家航空宇航局制造出了一种的压电泵，其结构如图1.13所示，这就是超声波压电泵。图1.13美国NASA研制的压电表图1.14LiCao等人研制的压电泵2001年，LiCao,SusanMantellandDennisPolla提出一种医用可移植的药物输送泵结构,其结构如图1.14所示。该压电泵输送液体的方式是通过蠕动的方式。2004年，一种新型的带有压电阀的压电泵结构在美国加利弗尼亚大学的DongGunLee等人发表的论文中被提出了。它的组成部件为多层叠堆式的压电振子、薄膜、泵腔及单压电晶片。2008年Katsuhiko开发出压电无阀喷射泵，如图1.15所示。该泵由PZT材料薄膜和流道组成。图1.15压电无阀喷射泵图1.16铰链杠杆放大位移的压电泵2009年韩国科学家Ham等开发出一种通过安装铰链杠杆机构来放大位移的压电泵，如图1.16所示。铰链放大机构由机构主体、堆叠型压电振子、附带小球的直角杠杆组成。4.国内压电泵的研究现状国内在20世纪末开始接触压电泵这个领域。程光明于1998年进行对压电膜泵的研究，其研究范围包括结构、运行原理及输出状况。郑堤等人在2003年研发了采用压电堆叠工作形式的压电泵，通过分析得出该型泵精确控制输出流量与输出压力，适用于需要大负载、精密位移场合。压电泵早期的用途是将液体进行精准运输和对流量进行准确调控。在经过深层次的研究后，研制出一种可以输送气体的压电泵变得十分关键。研究人员杨兴等人在2005年制造了一台微型气泵样机。初期阶段，研究基本集中在单腔或单振子类型压电泵。由于这种这结构形式的压电泵虽然结构简单，但及输出效率较小，为改善这种不足，开始研发双腔和多腔泵。2006年，阚君武等设计了两种不同类型的双腔体压电泵。2012年温建明等为解决驱动胰岛素所使用的的驱动装置高制造价格、系统繁杂的问题。研制了一款双腔串联压电泵来解决这个问题，其结构示意图如图1.17所示，图1.18为其实物图。分别在直接输液与间接输液这两类不同的运行方式下进行试验实验，发现该泵在间接输液方式下可以实现液体的高流量以及大压力输送。图1.17双腔串联压电泵结构示意图图1.18双腔串联压电泵实物图为继续改善压电泵的输出性能，达到驱动器的需求，王淑云等研究人员在2012年发表了一种采取多腔串联结构的压电泵，该泵的工作腔数量达到五个，如图1.19所示。图1.19五腔串联压电泵图1.20多级Y型流管无阀压电泵2013年，黄俊等人提出一种无阀压电泵，如图1.20所示，其采用了多级Y型流管结构形式。5.压电泵的技术展望与应用前景压电泵的应用前景虽然很好，但是压电泵技术还存在或多或少的问题。导致压电泵不能实现大规模的商品化和产业化。按现在发展的趋势，未来压电泵主要在结构微型化、工艺简化、成本降低、精确控制流量、增加工作频率和流量等方面进行拓展。近年来，压电泵应用领域正在被不断拓宽，主要体现在:图1.21微电子芯片液冷系统器（1）在太空飞行器中，压电泵常常扮演运输供应燃料的角色。在二十一世纪,太空探测这个高科技领域需要能稳定工作、流量控制精确的高性能燃料供给的装置，压电泵就能满足这个要求。(2)微型电子机械中的冷却系统。压电泵因为有结构简单、尺寸小、抗磁干扰能力强等优点，可用于CPU的水冷。图1.21为美国Cooligy公司生产的的微冷却器，其主要由微泵、换热器以及微流道冷却器等组成。

(3)医学工作中将药物精确运送到目标区域。在治疗帕金森综合症、糖尿病和癌症等病的治疗中，广泛应用着压电泵技术，如微型输液泵、微型注射泵技术。如下图1.22所示，即为一种输送胰岛素的微型压电泵，它能够以恒定的速率，注射胰岛素，维持患者的血糖浓度。图1.22用于注射胰岛素的微型压电泵第2章压电理论压电驱动元件是压电泵能够进行正常运行的重要组成部分，它能够将电能转换为机械能。压电驱动元件的工作能力好坏不仅能够决定压电泵是否能够正常工作，而且还影响了压电泵输出能力的高低。1.压电效应陶瓷片在极化工序之后，极化强度不再是零，这是由于陶瓷片内的极化方向重新排列。虽说如此，但是如果我们用电压表来测量陶瓷片的极化强度时，陶瓷片此时的极化强度是无论如何都不能用电压表测量出的。其原因是电偶极矩无法用电压表测量，而电偶极矩为陶瓷片内的极化强度的表现形式。如图2.1所示，陶瓷片的两端均有正负电荷出现，而且他们的数值大小相等，最终表现出来的形式就是测不出极化强度。如图2.2所示，如果施加一个压力F在陶瓷片上,且这个力的方向与极化方向平行。那么陶瓷片将会由于被压缩导致陶瓷片内上下之间的距离变小，束缚电荷之间由于符号相反，对外表现出的极化强度就会变小，原来由于束缚电荷的作用吸附在电极表面上的自由电荷失去了约束，就会离开陶瓷片，放出电流。当将施加在陶瓷片上的压力撤消，陶瓷片会由于弹性形变恢复原状，陶瓷片上下之间的距离恢复,自由电荷因为束缚电荷的吸引，又会回到陶瓷片的电极面上，表现出吸收电流的现象。在陶瓷片沿极化方向施加一个力，使陶瓷片压缩时,陶瓷片会出放出电流；陶瓷片沿极化方向被拉长时，电流会被吸收。正压电效应就是这种通过转化，将机械能变为电能的现象。图2.1陶瓷片内的束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图图2.2正压电效应示意图图2.3逆压电效应示意图同样的道理,如果将上述原理反过来使用，如图2.3所示。通过电场的作用，使陶瓷片发生变形，即为逆压电效应。压电泵中的压电振子，就是通过逆压电效应，将电能转化为改变泵腔体积的机械能，使压电泵能够工作的。2.压电材料的发展简介1940年之前，压电材料的局限性非常大，当时的压电材料只有石英，电气石和人造水溶性晶体这些单晶材料。1947年美国的Roberts发现了钛酸钡()的压电性，这一发现使得多晶材料得到迅速发展，压电材料的前景得以拓展，使得压电材料的发展得到巨大飞跃。1954年(PZT)固溶体系统被美国B.贾非等人发现，这个材料扩大了陶瓷材料的使用范围。三元系，四元系压电陶瓷材料相继在1965年，被日本研制出PCM以后出现。

目前常用的压电陶瓷材料有两大类，一类是;二元系固溶体(简称PZT)及其改性固溶体，另一类是PZT与复合钙钛矿铁电体构成的三元/多元系固溶体。3.压电材料性质的参数图2.4压电参数中轴的表示法压电材料的种类有很多，性能各不相同，为了能够区别各种材料，对材料性能的参数就必须要有一定的了解。这些参数能够反映材料性能的优劣。由于陶瓷材料在经过极化处理之后，每个方向上的性能参数也都不相同，呈现出各向异性。为了方便介绍，以图2.4中的表示方法为参照，进行论述。压电材料具有介电性质，弹性性质和压电性质。具体参数在下面进行介绍。3.1介电常数压电材料的介电性质能够通过介电常数反映，或者说反映材料的极化性质，通常用来表示介电常数。介电常数ε可以用下面的式子来表示：（2-1）式中，；；；。相对介电常数与介电常数ε之间还可以用下面的式子表示：（2-2）式中，不对压电陶瓷进行极化工序处理，其内部的性质表现为各向同性。即在各个方向上的性质完全相同，可表示为。压电陶瓷经过极化工序处理工序之后，压电陶瓷内部由于重新排列而产生极化。这时，压电陶瓷垂直极化方向的性质与极化方向的性质产生了差异。若陶瓷的极化方向为方向3（如图2.5），则满足。图2.5薄片压电陶瓷如果样品的机械条件不同，因为陶瓷存在压电效应，所以介电常数就会不同。在机械自由的条件下得到的介电常数称为自由介电常数，(指标T代表机械自由条件)。在机械夹住的条件下，得到的介电常数称为夹住介电常数(指标s代表机械夹住条件)。总之，沿方向3极化的压电陶瓷，其介电常数为：自由介电常数，夹住介电常数图2.6RnC并联等效电路示意图3.2介质损耗众所周知，在能量的转化过程中，是不可能将一种能量全部转化为另一种能量的。所以压电元件在工作一段时间后就会发热。介质损耗就是压电元件在交变电压下，电能转化为机械能过程中转化为热能的那部分。在压电陶瓷中，可以将损失的能量形式用图2.6RnC并联等效电路来表示。介质损耗是电介质的重要品质指标之一。引起介质损耗的原因有很多。在压电陶瓷中，主要原因有:(1)陶瓷内存在漏电，引起介质损耗。(2)当陶瓷内极化状态的变化无法与外加电压的变化同步时，会引起介质损耗。

(3)陶瓷结构不均匀，引起介质损耗。3.3弹性常数反映压电陶瓷材料弹性的参数就是弹性系数。弹性柔顺系数，弹性刚度系数和泊松比σ等。弹性柔顺系数弹性柔顺系数，表示物体在单位应力作用下所产生的应变。其数学表达式分别为(2-3)其中上标D表示电位移为零（或常数）时的弹性柔顺系数，称为开路弹性柔顺系数。(2-4)其中上标E表示电场E为零或常数时的弹性柔顺系数，称为短路弹性柔顺系数。开路的情况为测量弹性柔顺系数时，电位移D=0或常数，或者外电路的电阻很大。短路的情况是指测量弹性柔顺系数时，电场强度E=0或常数，或者外电路的电阻很小。b.弹性刚度系数弹性刚度系数表示使物体产生应变所需的力。其数学表达式分别为(2-5)其中上标表示电场为零或常数时的弹性刚度系数，称为短路弹性刚度系数。(2-6)其中上标D表示电位移为零或常数时的弹性刚度系数，称为开路弹性刚度系数。c.泊松比泊松比指固体在应力作用下横向应变与纵向应变之比，用σ表示。对于压电陶瓷，由于垂直于极化轴的平面内是各向同性，所以。该平面的泊松比(2-7)式中的负号是由于σ为正值而添加的。弹性柔顺系数是由材料的内部性能决定。在条件相同的情况下，弹性柔顺系数大的材料应变大，弹性柔顺系数小的材料应变小。3.4机械品质因子机械品质因子Qm其表示陶瓷材料在谐振时振动时，要克服摩擦而消耗能量，产生的机械损耗。（2-8）式中，；。Qm大表示材料的机械.损耗小;Qm小表示材料的机械损耗大。陶瓷的机械品质因子Qm与配方和工艺条件有关。3.5压电常数和介电常数一样，压电陶瓷的压电常数也沿晶轴而异，而且也需考虑机械学、电学的边界条件，因此也有多个压电常数。以长方形压电陶瓷片为例加以说明（如图2.7），电极面与z轴垂直，极化方向与z轴平行。图2.7纵向变形和横向变形(1)在短路条件下，压电陶瓷样品受1方向的应力的作用，压电常数与电位移、应力之间的关系为：（2-9）(2)在机械自由条件下（即），压电陶瓷样品只受3方向的电场的作用，压电常数与应变、电场强度之间的关系为：（2-10）3.6机电耦合系数机电耦合系数k在生产上用得最多，它能综合反映压电材料性能。机电耦合系数的定义为相互作用能密度与弹性能密度和介电能密度的几何平均值之比，可以用下面式子表示：（2-11）式中：；；。3.7频率常数机械共振频率与决定该频率的线度尺寸h的乘积为振子的频率常数N，即（2-12）对同一材料来说，频率常数与振动模式有关，它是和该振动模式在振动方向的波速有关的物理量，对于棒形振子，h是长度L；对于厚振子，h是厚度t；而对薄圆片的径向振动振子，h是直径d。外加电场方向无论垂直还是平行于振动方向，振子的共振频率都为振子等效电路的共振频率。无论何种振动模式，频率参数N都不会发生改变，因为频率常数只与材料的性质有关。4.压电陶瓷的退极化在压电陶瓷上面施加一个强度足够的电场，如果初始电场方向和这个电场的方向相反，这时候压电陶瓷就会表现出退极化。在压电陶瓷外部添加静电场时，如果该电场的值在这个区间内，通常陶瓷也会发生退极化。当有交变电场对材料作用时，存在这样一个半周期，这个周期中交变电场的方向和极化电场方向相反，退极化也会发生。交变电场和材料的温度对退极化有较大的影响。像钛酸钡这种材料，当采用这种材料的压电陶瓷放置于室温环境中，仅仅在施加一个有效值为的电场时，退极化就会发生。如果施加的值达到，极化现象基本就消失了。5.压电振子的性能参数图2.8压电单晶片图2.9压电双晶片压电振子的粘结方法有两种，一种是在压电晶片与金属基板之间用环氧树脂粘结剂粘合；另一种是通过烧结，直接将压电材料与基板制成复合膜。第二种方法虽然能够进行大批量生产，但是这种方法制作成的压电振子，其性能指标不够，无法与传统粘结方法制成的压电振子相比。所以本实验中的压电振子采用第一种方法。由于圆形压电振子的应力分布状态均匀。相比于另一种矩形的压电振子，圆形压电振子更适合于制作压电泵。在本次设计中，压电振子选用圆形。压电单晶片如图2.8所示，只在一侧粘结压电陶瓷片的压电振子；压电双晶片如图2.9所示，在两侧都粘压电陶瓷片的压电振子。一般来说，压电双晶片的驱动能力要比单晶片的驱动能力要好的多，但在使用时，压电双晶片要进行绝缘处理，防止和驱动液体接触。6.压电振子的支承方式压电振子的支承方式主要有三种，如图2-10示。现分别对三种支承方式进行介绍。图2-10振子三种不同支承方式6.1夹支边（或称固支边）如果将边界作固定，如图2-7a，称为夹支边。薄板采用夹支边的话，挠度w等于零，弹性曲面的斜率也等于零。所以边界条件是：（2-13）6.2简支边若边界用刀刃夹住，如图2-7b，称为简支边。此处薄板的挠度w等于零。弯矩也等于零。所以边界条件是：（2-14）6.3自由边当边界没有任何约束，处于自由状态，如图2-7c，被称为自由边。当边界自由时，薄板弯矩和横向剪力等于零。边界条件为：（2-15）夹支边因为机电耦合极低，所以舍弃。自由边界条件因为结构安装不方便，所以实际上很少采用。而简支边条件支撑的结构轻便、结实，而且装置的损耗最低，所以本设计中采用简支边。第3章结构设计1.压电泵泵腔结构设计1.1压电泵泵腔初始容积计算设计计算原始数据：压电振子直径35mm，水的压缩比,阀开启的临界压力值300Pa，当压缩比=振子振动容积变化/腔体初始容积满足大于等于1/46时（即），压电泵能够工作。图3.1压电单晶片双振子压电泵中振子的变形量对其输出流量和输出压力存在关系。由于两个振子性能相同，所以要想计算双振子压电泵的理论输出流量，则可以通过计算单个振子的变形量来得出双振子压电泵的泵腔容积变化量。建立如图3.1所示的力学模型，将压电振子分成二大部分：一部分为由压电晶片、金属基板组成的中心圆盘区；另一部分为驱除中心圆盘区之后的中空环形基板。为由压电晶片产生的弯矩，为基板对振子变形的阻力弯矩，为作用在复合层外边缘的净弯矩；为距离振子中心半径（）处振幅，距离振子中心半径为（）处振幅为。对有效驱动电压引起的压电振子变形做出推理：在内部可以看成在处为简支，变形为纯弯曲变形，由薄壳理论相对于支撑处任意点的振幅为（3-1）式中，为PZT和基板的复合部分的等效弯曲刚度；为PZT和基板的复合部分的等效弯曲刚度泊松比；为瞬时作用在PZT和基板复合层外边缘的净弯矩；PZT的半径记为。在压电单晶片中，单层压电陶瓷和基板复合后的等效弹性模量及泊松比和等效弯曲刚度分别为：（3-2）（3-3）（3-4）式中：，，，代表压电陶瓷的弹性模量，代表压电陶瓷的泊松比，代表压电陶瓷的厚度；代表基板的弹性模量，代表基板的泊松比，代表基板的厚度。由压电单晶片产生的弯矩为（3-5）式中：压电陶瓷的弯曲刚度为；基板的弯曲刚度为；驱动电压为U。外面的基板环形部分，支撑在处，内部的边缘是自由的。相对于支撑点处，点的振幅为（3-6）式中：作用在基板环形部分的弯矩为；整个基板的半径为。整个结构相对于的振幅可以表示为（3-7）（3-8）由连续性方程（3-9）求得（3-10），（3-11）（3-12）式中：。综上，整个振子的变形量可归纳为（3-13）压电振子的理论容积变化量为（3-14）压电陶瓷性能参数：，，，；铜基板性能参数：，，。文中，单晶片压电陶瓷厚度和基板厚度均相等，因此单晶片时，，；对本设计中选择的压电单晶片振子的各性能参数进行计算，得出结果如下表：表3-1压电振子的性能参数mmmmmmPa.m3Ee1GPa0.20.40.60.53789.93mmPa.m3Pa.m3M01UN.m0.20.04560.0880.3260.00163mmK1U0.20.0736根据公式（3-14）可以计算出压电单晶片振动时引起泵腔容积为。1.2压电泵泵腔初始容积的确定压缩比的定义为，单个冲程内压电振子因为振动使得腔体容积产生的变化量与泵腔体的初始容积的比值，即：（3-15）因为腔体的原始容积又很大而腔体容积变化量很小，所以压缩比通常很小。在腔体容积变化过程中，腔体内外产生的最大压差为，对与有阀压电泵来说，阀能够开启的临界压力为，因此泵能够工作必须满足的条件是：（3-16）当泵送气体时，假设气体为理想气体，腔体变化过程绝热，绝热系数为（空气的绝热系数为1.4）大气压力，腔体容积变化产生的最大压力差为，由气体绝热过程公式有：（3-17）将方程（3-15）（3-16）代入方程（3-17）得：（3-18）泵工作在较低频率时，可看作是等温过程，此时绝热系数趋近等于1，临界压力比大气压力要小得多，这时方程（3-18）为：（3-19）当泵送的介质为液体时，设液体的压缩比为，发生在腔内的最大压差为，由振子振动引起的腔体容积变化量为，则有：（3-20）联立方程（3-15）（3-16）、（3-20）得（3-21）这个条件由于液体的压缩性很小，所以很容易达到，这里要考虑泵腔内完全充满液体的情况。为压电振子中心点的最大振幅，腔体为半径的圆柱体，要使振子能够自由振动，则有（3-22）同时，为了保证泵能够正常工作，由公式（3-19）得（3-23）由公式（3-22）、（3-23）可求得泵送气体时气体的初始容积为：（3-24）当泵送液体时由公式（21）得（3-25）由式（3-22）、（3-25）得（3-26）在外加电压80V的情况下，压电振子中心点最大振幅为50.49，因此在设计时腔高要大于50.49。本次设计腔体的高度为1.2mm。经过验证，此时的腔体的初始体积可以满足式子（3-26），所以此时计算得到的V0=。下面验证压电振子的压缩比，即：（3-27）所以，由式子（3-27）可知，本文所确定的压电泵腔体初始容积，可以满足工作要求。2.单腔体双振子压电泵的理论输出单腔体双振子压电泵中单个振子工作时每分钟流量输流量理论公式为:(3-28)式中为阀的效率系数，范围为0≤ξ≤1；ΔV为振子单向振动时泵腔容积变化量，为压电振子的工作频率。单腔体双振子压电泵的理论总输出为:(3-29)从式（3-29）可以看出，如果两个压电振子工作性能一样，那么理论上，单腔双振子压电泵的输出流量应该是单腔单振子的双倍。3.压电泵结构图3.2单腔双振子压电泵三维爆炸图图3.3单腔双振子压电泵二维结构图压电泵主要由入水口，出水口，阀，压电振子，密封圈，腔体等结构构成。其三维图如图3.2所示，二维图如图3.3所示。入水口：泵送液体主要从入水口流入。出水口：泵送液体从出水口流出。阀：阀的主要目的是控制流体流动方向，悬臂梁阀，平板阀，蝶阀，“V”型阀，伞型橡胶阀等。目前使用范围最广泛的是伞型橡胶阀，其具有结构简单，成本低廉等优点。压电振子：压电泵的主要工作元件，其是压电泵重要的组成部分。压电振子有两种结构，一种为单晶片，一种为双晶片。密封圈：在泵结构中起密封作用。腔体：压电泵的主体部分，流体的流动都是通过改变腔体的体积来实现的。压电泵的研究是从单振子单腔体压电泵的设计理论及相关试验研究开始的，在查找的大量国内外参考文献中，所论述的压电泵性能，也基本上都是关于单腔泵的。要对双振子压电泵进行结构设计，那么了解压电泵泵的工作原理则十分重要，这里先对结构较为简单的单腔单振子压电泵的工作原理进行介绍。4.单腔体单振子压电泵工作原理单腔单振子压电泵是最先出现的，大部分国内外参考文献中介绍压电泵性能都是以单腔泵为样板的。了解单腔单振子压电泵对于了解其他种类的压电泵具有重要借鉴意义。图3.4压电泵的工作原理简图图3.4为一个单腔泵的结构简图。压电泵工作时，可大致分为两个过程，如图3.4a。第一个过程为吸入阶段，即将流体吸入泵腔。具体来说就是压电振子向上弯曲，泵腔的体积就会增大，腔内的压力相应减小，入口阀门打开，出口阀门关闭，流体向腔内流入。第二个过程为排出阶段，如图3.4b。即将泵腔内的流体排出。具体来说就是压电振子向下弯曲，使泵腔的体积减小，腔内的压力对应增加，入口阀门关闭，出口阀门打开，流体从泵腔内排出。由这两个过程循环往复，这样就能源源不断的将流体定向输送。这样压电泵就能将电信号脉冲转化为动能。单振子单腔泵的工作频率点比较低。同时单振子单腔压电泵泵送液体时，管道和腔体内会产生气泡，长时间工作，会出现输出不稳定的问题。单振子的结构已不能满足要求越来越高的工作需求。所以对多振子压电泵的研发已刻不容缓。5.单腔双振子压电泵的工作原理单腔双振子泵虽然采用双振子驱动，但是它的的工作原理与单振子单腔泵的工作原理是一样的，只不过双振子泵的驱动能力比单振子强。对其结构进行分析，发现有两种结构可以满足设计要求，一种是将进出口阀置于泵腔之外，两个驱动振子在位置上程轴对称分布，如图3.5所示，这种结构被称为对称结构。由于这种设计结构中腔体的初始容积较大，使得泵的压缩比减小，消弱了压电泵的驱动能力，导致这种结构形式的出流效果变得很差。。另一种结构形式是两个压电振子呈中心对称分布，如图3.6所示。这种结构的出口阀被置于腔体内，其输出性能相比第一种结构有了显著提高。图3.5对称结构图3.6错位结构6.伞形橡胶阀的结构因为橡胶材料具有良好的弹性，橡胶阀的加工成本成本低廉。所以本次结构设计选择了伞形橡胶阀作为截止阀。图3.7为伞形橡胶阀的结构示意图。该阀开启阻力小、响应快、变形应力小。

图3.7伞形橡胶阀安装结构图伞形橡胶阀的伞柄固定，伞叶振动使流体通过这就是它的工作方式，由公式（3-30）可得阀孔的出流量为：（3-30）式中，，，。7.双振子压电泵电信号的驱动形式图3.8不同驱动方式下工作原理在本次设计中，选择正弦交流电来驱动压电泵工作。振子的驱动方式有三种，分别为矩形波驱动，三角波驱动和正弦波驱动。通过试验，可知正弦交流电驱动时的输出效果最好。双振子有两种电信号驱动形式，如图3.8（a）所示。“同步驱动”是指在同一时刻两个压电振子的振动使泵腔容积同时增大或同时减小，如图3.8（b）所示。要想实现这两种不同的驱动方式，只需要使压电振子上施加相反或相同的电信号源。在后面的试验中，会用不同的驱动形式，对压电泵在对应情况下的输出性能进行对比研究。

第4章实验测试分析通过以上理论的说明，得出压电泵的输出流量和压力主要与以下几个因素有关：压电振子的变形能力；振子的驱动形式；施加在压电振子上的电压大小；加载在压电振子上的交流电压的频率；振子的周边固定方式有关；泵腔的初始容积；截止阀的性能；工作流体的性能；泵的不同结构形式；在本次实验中，主要研究振子的驱动形式，不同工作流体（本实验以水和空气为研究对象）在不同工作频率下，对压电泵的输出流量和压力的影响。1.实验仪器本文采用的正弦交流电电源，实验频率范围为40Hz~400Hz，每隔20Hz测量一次数据。为了测试气体的输出流量，使用了皂液式（湿式）气体流量计，为了测量液体的流量,还使用了电子秤，计时器，量杯，测压力时还使用了压力表。图4.1压电驱动器图4.2计时器图4.3烧杯图4.4压力表图4.5电子秤图4.6皂液式气体流量计压电驱动器：如图4.1，提供实验所需的正弦交流电电源。计时器；如图4.2，通过设定一固定时间，使得电流在该时间段流通。电子秤：如图4.5，通过测量水的质量可以计算出输送水的体积。皂液式气体流量计：如图4.6，其内部有微处理机，玻璃管内有两个传感器，通过皂液经过两个传感器的时间差,能够计算出气体在单位时间内通过的体积。2.振子驱动方式对性能影响对于双振子泵来说，振子的驱动方式都有两种形式：即“同步驱动”和“异步驱动”，在本实验中，通过对两种振子驱动方式输出流量和压力的比较，得出驱动方式对双振子压电泵输出性能的影响。从图4.3频率—流量曲线可以看出，“同步驱动”时，工作频率在60—100Hz之间，双振子单腔泵的输出流量在100~150ml/min。工作频率在100Hz之后，输出流量明显降低，在50ml/min上下浮动。“异步驱动”时，200Hz之前，输出流量变化不明显，200Hz之后，输出流量开始增加，在260Hz时输出流量达到最高值269.4ml/min。之后输出流量开始减少。可以看出，在低频率时，“异步驱动”的输出流量小于“同步驱动”。在高频率时，“异步驱动”的输出流量又大于“同步驱动”图4.4是频率—压力曲线。当“同步驱动”时，泵的输出压力在15kpa以下，最大输出压力为13.4kPa；而“异步驱动”时，最大输出压力却可以达到89.8kPa。单腔双振子泵在“异步驱动”的情况下能够工作的原因是，其中一个压电振子的振动与另一个压电振子的振动不同步，因此容积变化的过程中出现了差异。这就是压电泵在工作频率较低的情况下工作效果差，最佳工作频率点出现在高频率处的原因。图4.3频率—流量曲线图4.4频率—压力曲线3.输送不同介质时对性能的影响如图4.5所示，在“同步驱动”下，压电泵输送液体时的输出流量在150ml/min以下，输送气体时的输出流量随频率增加而增大，在320Hz时达到最高1010ml/min，之后输出流量才开始下降。总体来说，输送气体时的输出流量大于输送水的输出流量。如图4.6所示，在“异步驱动”下，压电泵输送液体时的输出流量在260Hz时达到最大值269.4ml/min。压电泵在输送气体时，最大输出流量为156.2ml/min，此时频率为300Hz。输送两种介质时，输出流量随频率的变化几乎相同。由于气体的粘度及密度和液体的粘度及密度存在差异，导致不同的驱动形式，流量也有所差异。图4.5不同介质频率—流量曲线图4.6不同介质频率—流量曲线4.实验结论在同步驱动下，单腔双振子压电泵输出液体的最佳频率点比异步驱动小；在同步驱动下，单腔双振子压电泵输送气体的效率要好于输送液体；在异步驱动下，单腔双振子压电泵最大输出压力大于同步驱动；（4）在异步驱动下，单腔双振子压电泵输出气体的最佳频率点要比同步驱动小。

第5章结论本文运用了流体动力学、电学、力学、材料学等多个领域的理论知识。本次设计中采用基板直径为35mm、陶瓷直径为29mm压电单晶片振子，建立了压电振子理论力学模型，确定了压电泵初始容积为