[00142244]脉动离心隔膜压电泵

提出了基于离心力驱动的脉动隔膜压电泵。对其工作原理进行分析,它利用不锈钢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。建立了压电泵驱动部分的动力学模型,理论上得出泵驱动部分的振动频率、离心力和振幅极限的计算表达式,并进行数值计算。对驱动部分进行有限元分析,模态分析得到弯曲振型和谐响应分析得到导纳曲线。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,验证了理论分析的正确性。设计并搭建了脉动离心隔膜压电泵的驱动电路,其功能是实现压电泵中不锈钢管的快速起振和快速停止。分析了电路的工作原理以及电路各部分的作用,将快速起停电路利用到脉动离心隔膜压电泵中,通过快速起振使不锈钢管振幅快速增加,在较短的时间内达到最大振幅,快速完成吸液;利用快速停止使不锈钢管振幅急速减小,快速完成排液,从而缩短单次抽液时间,增加流量,提高性能。 提出了压电精密移液器,它是在脉动离心隔膜压电菜的基础上改装而来,将压电泵的单向阀去掉,换成移液枪头,进行了精密移液和定量输送流体的实验测试。测试了移液器在不同电压、不同规格移液枪头和不同流体下的移液特性,并给出最大移液量和最小移液量。前期提出的脉动离心隔膜泵利用液体进行驱动耦合,而液体流动时存在内摩擦,不利于泵效率的提高。于是提出使用固体耦合的脉动离心泵,采用振动转换装置来协调压电元件的高频特性和单向阀的低频特性。由一级振动体的累积振动以及抑制振动激发出二级振动体的谐振,带动泵腔内的变形体产生往复形变,导致泵腔体积和压力的变化。对该泵的驱动机制进行了有限元分析,使用频率跟踪电路来保证第一级振动体的谐振状态和快速止振状态。 我们发现除了单向阀的低频特性会制约泵的性能提高以外,流体本身的滞后性和惯性也会限制压电泵工作频率的提升。提出了位于出入水口处的可压缩腔缓冲结构,可有效地减轻刚性泵体的负载,增加单个周期内的输出流量。建立了压电振子和泵腔的耦合动力学模型,分析了谐振频率、模态振型、应力分布和泵腔体积的变化。提出了两端固支被动截止阀,分析了该单向阀的结构设计及工作原理并对该单向阀的开启压力、通流能力、反向截止特性等特性进行实验评估。介绍了可压缩腔缓冲结构的工作原理,并探讨出压电泵各单元的等效电路。对压电泵样机的位移、流量、背压及功耗特性进行测试,并分析电压及频率对泵的输出性能的影响关系。从实验测试结果,解释验证不同泵腔薄膜材料、不同单向阀的厚度对压电泵性能的影响。通过电路仿真软件仿真分析了可压缩腔结构对压电泵工作性能的影响,并与实验测试结果相对比,综合验证所设计的可压缩腔结构的有效性。