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吉林大学博士论文答辩 微小型主动阀压电泵的结构设计理论及控制系统的研究 姓 名: 何 丽 鹏 专 业: 机械电子工程 指导教师: 程光明 教授 项目资助 本文由国家自然基金项目 “主动阀压电泵作用机理及关键技术研究”（项目编号和教育部高等学校科技创新工程重大项目培育资金项目“驱动测试控制功能一体化新型压电驱动机构研究”（708028）资助。 纲 要 绪论 微小型主动阀压电泵用振子的理论分析及性能测试 微小型主动阀体的结构设计及有限元分析 微小型压电泵体的结构设计和流量分析 微小型主动阀压电泵的实验对比研究 微小型主动阀压电泵的控制系统的研究 结论及展望 研究背景 微小型压电泵的种类 压电材料和压电效应 振动模态的分析 压电驱动器的种类 ●压电晶片驱动器 圆形压电双晶片驱动器（圆形压电振子） 矩形压电双晶片驱动器（矩形压电双晶片） 压电振子的理论模型的建立与求解 压电振子的理论模型的建立与求解 压电振子的理论模型的建立与求解 压电振子的各点位移变化 压电振子位移与驱动信号之间的关系 压电振子振幅与预紧力间的关系 基于阀体结构的流量计算 流场分析 压强损耗的影响 微小型压电泵体的结构设计 膜片厚度与容积变化的关系 管嘴形式的选择 边界条件的影响 不同类驱动信号的响应测试分析 不同夹持条件下的位移特性 各因素和水平对Q的影响变化趋势 单腔双主动阀压电泵的结构和测试系统 单腔双主动阀压电泵的工作原理 单腔双主动阀压电泵的性能测试 单腔双主动阀压电泵的性能测试 单腔双阀双压电泵的结构和样机 单腔双阀双压电泵的性能测试 单腔双阀双压电泵的性能测试 双腔双阀双压电泵的结构和样机 双腔双阀双压电泵的驱动信号 双腔双阀双压电泵的性能测试 双腔双阀双压电泵的性能测试 双腔串联泵与单腔泵工作性能比较 控制系统的组成 串行口输入电路 带通滤波电路 反馈电路的设计 系统主程序界面设计 主动阀压电泵控制系统的性能测试 测试原理 输出信号电压的分析 输出信号频率 输出信号相位差 输出的压电振子变形 阀口开度h是由压电振子的特性决定的 阀口内半径r1、阀座宽度w是需要优化的阀结构参数 在结构参数hv＝50um，入口流速为0.02m/s的情况下，用ANSYS分析了结构参数w为100um、200um、300um、400um时阀腔的流场变化。结果如图3.9所示：从图中我们可以看出x方向的流速随着参数w的增大而明显减小。图3.10是不同阀口厚度时的压强损耗，在hv＝50um不变的情况下，入口流速分别取0.01m/s、0.02 m/s、0.03m/s、0.04 m/s时，参数w对应的压力损耗如表3.1所示。阀口厚度和流速越大压强损耗越大。所以在设计主动阀的阀口厚度时， 应该在加工条件允许的情况下尽可能的小些。 在结构参数w＝200um，入口流速为0.02m/s的情况下，用ANSYS分析了结构参数hv为10 um、 30um、50 um、70 um时阀腔的流场变化趋势。结果如图3.11所示：从图中我们可以看出x方向的流速随着参数hv的增大而明显增大。图3.12是不同hv时的压强损耗，在w＝200um时，入口流速为0.01m/s、0.02 m/s、0.03m/s、0.04 m/s时，参数hv对应的压强损耗如表3.2所示。压电振子下表面到环形圆台上表面的距离hv越大压强损耗越小，流速越大压强损耗则越大。所以在设计主动阀时，压电振子下表面到环形圆台上表面的距离hv越大越好，但是不能超过压电振子所能产生的最大变形。 为了测试阀口厚度对压电泵输出流量的影响，分别制作了阀口厚度w为200um、300um、400um，阀口开度为30um的压电泵，并对其进行测试，实验数据如表3.3所示。实验结果如图3.13 所示：从图中我们可以看出三种不同尺寸的压电泵输出流量变化不大，主要因为阀口厚度在200－400um之间时，由其引起的沿程损失与其它因素相比可以忽略。 在阀口厚度w＝200um不变的情况下，分别制作了阀口开度hv为30um和10um两种尺寸的压电泵，并对其进行测试，实验数据如表4所示。实验结果曲线如图3.14所示。从图中可以看出:当电压在100V之前，阀口开度为30um的压电泵流量要小于间隙为10um的压电泵流量；当电压大于100V以后，阀口开度为30um的压电泵流量才大于间隙为10um的。主要因为电压在100V之前， 圆形压电振子的振幅较小，阀口开度较大，使主动阀的截至性降低，回流增多，导致流量很低；随着电压的升高，压电振子的振幅增大，主动阀的截止性升高，回流减少，流量则随之升高。经过实验研究发现, 当电压升高超过150v时，压电片容易破损。 如图4.4所示，常见的