脉动离心隔膜压电泵原理与试验

摘要

压电泵是一种新型流体驱动器，它具有结构紧凑、响应特性好、精确度高、耗能低、无噪声等优点，使得其在微型机电、医疗器械、化学分析、航空航天等领域有巨大的应用价值。然而，对于容积式压电陶瓷泵，传统的单向阀在工作中存在严重的滞后性，使得它很难与压电陶瓷泵的壳面振动相匹配。在这种制约条件下，腔式压电陶瓷泵的效率并没有得到充分地发挥。相比于被动式单向阀，虽然使用压电驱动式主动阀对提高压电泵的工作频率有利，但其存在阀口开启位移较小或输出力较小而导致流量下降的问题，且需要的阀控制系统复杂，不易于集成化设计。利用MEMS技术制作的新型单向阀，具有优良的高频特性，但MEMS制作工艺复杂，成本较高，不利于推广。
　　针对有阀压电容积泵中压电元件的高频特性和单向阀的低频特性不兼容问题，本文提出了脉动离心隔膜压电泵。它利用振动管内的液体在离心力的作用下产生定向流动的特性来驱动泵腔中的隔膜产生形变，从而改变泵腔体积，借助单向阀实现液体的定向输送。压电陶瓷工作在较高的频率而单向阀工作在较低的频率，并且二者不产生冲突，能够协调一致。本文首先分析了脉动离心隔膜压电泵的工作原理，其次建立了压电泵驱动部分的动力学模型，得出了振动频率、模态振型、离心力和振幅极限的计算表达式。最后制作了原理样机，测量了压电泵的阻抗特性、脉冲特性、流量和压力等性能，验证理论分析的正确性。为了提高泵的效率，改善泵的性能，本文提出并搭建了快速起停电路，提高了泵的输出流量，并实现频率追踪。此外，基于脉动离心隔膜压电泵的工作原理，本文提出了一种新型的压电驱动移液器，利用振动管的摆动产生的离心力作为驱动力，液体吸入时振动管工作在一阶弯曲振动频率。对单次移液体积随电压、驱动频率、移液枪头规格和不同试剂的变化做了测试。
　　实验结果表明:压电泵原理样机可以保持并精确输出液体脉冲，驱动电压峰峰值为560Vpp，振动频率为183.74Hz，吸液周期0.4s，排液周期0.1s，背压0.3kPa时，去离子水输出流量为6.12mL/min。实验数据证明了脉动离心隔膜压电泵的有效性。使用快速起停电路脉动频率为4Hz时，去离子水输出流量为12.49mL/min，泵的性能得以提升。
　　压电移液器原理样机在电压560Vpp，频率175.9Hz时移液体积为43.2μL，最大误差±3.5％，最小移液体积为3μL。该移液器可以用在化学或生物实验的标准移液中。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 压电泵的发展概况

1．2．1 压电泵的分类

1．2．2 国外压电泵的发展现状

1．2．3 国内压电泵的发展现状

1．3 压电泵的发展趋势与应用前景

1．4 本文选题意义与论文结构

第2章 压电离心泵用压电振子基础理论

2．1 压电效应

2．1．1 压电材料晶体结构和极化微观过程

2．1．2 正逆压电效应物理机理

2．2 压电材料的种类

2．2．1 压电单晶体

2．2．2 压电陶瓷

2．2．3 新型压电材料

2．3 压电陶瓷的重要参数

2．4 线性压电方程

2．5 本章小结

第3章 脉动离心隔膜压电泵原理和测试

3．1 脉动离心隔膜压电泵原理

3．2 脉动离心隔膜压电泵的动态分析

3．2．1 变截面梁理论

3．2．2 驱动部分的动态分析

3．3 脉动离心隔膜压电泵样机制作

3．4 脉动离心隔膜压电泵的测试

3．4．1 驱动部分理论计算与阻抗测试

3．4．2 驱动部分的有限元仿真分析

3．4．3 脉动离心隔膜压电泵的驱动信号编辑

3．4．4 脉动离心隔膜压电泵的流量背压测试

3．5 本章小结

第4章 快速起振和快速停止电路

4．1 快速起停的原理

4．2 电路各模块的功能

4．2．1 分压电路和电压跟随器

4．2．2 低通滤波器LPF

4．2．3 移相电路

4．2．4 自动增益控制(AGC)环路

4．3 快速起停电路的测试

4．3．1 快速起停电路的悬臂梁测试

4．3．2 快速起停电路在脉动离心隔膜压电泵中的使用

4．4 本章小结

第5章 压电驱动精密移液器

5．1 压电精密移液器的结构

5．2 压电精密移液器的测试

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究结论

6．2 研究展望

参考文献

附录 快速起停电路图

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果