有阀压电薄膜泵性能研究

分析了腔体容积和阀的结构对压电泵最佳工作频率的影响，提出了小腔体、复合阀结构的压电薄膜泵设计观点。实验结果表明，采用较小的腔体体积(腔体压缩比足够大)和复合阀结构，可使压电泵最佳工作频率增加，同时使压电泵具有较强的自吸能力和抗气泡干扰能力。在无负载时对应流量的最佳工作频率为50Hz，随负载增加相应减小；对应输出压力的最佳工作频率为20Hz。在输入电压80V、工作频率20Hz时，压电泵最大自吸压力为2．5kPa，在输出压力小于3．0kPa时，进入腔体内的气泡可自行排出。     

双腔体四振子压电泵设计及试验

为提高压电泵的输出流量和输出压力,增强自吸性能,采用四片压电振子构建两个工作腔体的新型压电泵结构,即双腔四振子压电泵.在对该新型压电泵进行结构设计的基础上,分析了其工作原理和工作特性,给出了输出流量和输出压力的计算方法,并加工制造了四振子压电泵样机.对四振子压电泵在单腔体双振子、双腔双振子和双腔四振子工作方式下进行了试验对比,结果表明,采用腔体串联能够提高压电泵的输出流量和输出压力,双腔四振子压电泵在驱动电压为150 V AC,频率为120 Hz时,最大输出流量为1160 mL/min,而双腔双振子最大输出流量为650 mL/min（138 Hz）,单腔双振子最大输出流量为250 mL/min（160 Hz）;双腔四振子压电泵自吸高度可达到55 cm.     

单振子双腔体V形管无阀压电泵的流场分析

为了提高泵送流量,获得连续、低脉动的输出特性,设计了一种单振子双腔体V形管无阀压电泵,并建立其几何模型,对其工作原理进行了简要介绍,采用Fluent软件的动网格模型对其内部流动进行数值分析．对压电泵内部流场进行动态模拟,得到不同时期压电泵内部的压力、速度及瞬时流量等动态特征,将双晶片压电振子的动态特征和流体的运动特征有机地结合在一起,结果与压电泵的工作原理相吻合,验证了动网格模型应用于压电泵数值模拟计算的可行性．通过大量的数值模拟研究了驱动频率、压电振子振幅、泵腔高度和V形管位置对单振子双腔体V形管无阀压电泵输出性能的影响．模拟结果表明：驱动频率为250Hz时单振子双腔体V形管无阀压电泵的出口流量最大;压电振子振幅越大,出口流量越大;合理选择一组振幅值、泵腔高度和管道位置,便可得到压电泵的最优输出性能．     

圆形双振子式主动阀压电泵设计与性能实验

设计了一种圆形压电振子式主动阀压电泵.通过推导主动阀理论流量公式,分析了影响主动阀流量的主要因素,即阀口内半径和阀座宽度.通过对圆形压电振子式主动阀压电泵性能的实验得出了工作频率、泵腔压电振子驱动电压、输出端背压、主动阀驱动信号与泵腔压电振子驱动信号的相位差是主动阀压电泵的性能影响因素.设计的主动阀压电泵同时具备双向泵送流体的能力.实验结果表明:该泵在30 Hz、120 V的正弦信号驱动下,流量达到了123 mL/min.     

主动阀压电泵的设计

综述了国内外压电泵的研究与进展,通过比较被动阀压电泵与主动阀压电泵的工作原理,提出了主动阀压电泵潜在的应用价值。依据工作原理,设计、制作了由压电振子分别作为泵驱动源和进、出口阀的主动阀压电泵,并对泵的驱动信号进行了研究。性能测试结果:在140 Hz下,主动阀压电泵的最大输出流量为40 ml/min,最大输出压力为12.25 kPa。结果表明:主动阀压电泵的性能、单向截止性及执行效率明显优于被动阀压电泵。     

一种新型共振式气体压电泵

针对膜片式压电泵气体驱动能力不足,被输送气体流动受阻时压电振子易发热受损,以及叠堆式共振压电泵造价高昂等问题,提出了一种以圆环状压电双晶片为动力源,通过位移放大机构驱动的新型共振式气体压电泵.对新型共振式气体压电泵的工作原理及其位移放大原理进行了分析,建立了该泵的振动力学模型.分析结果表明,该泵位移放大效果与压电双晶片提供的驱动位移有关,系统放大倍数与弹簧片和压电振子的刚度、系统的黏性阻尼因子及激励频率有关.设计并制作了新型共振式气体压电泵的试验样机,使用阻抗分析及激光测量方法测试了其位移放大效果,并验证了气体输出性能.试验表明,在70 V的正弦交流电压驱动下,该泵通过共振方式可将输出端位移放大至压电振子位移的4.2倍以上,气体输出流量可达1 685 mL/min.在气体流动受阻的情况下,该泵连续工作2 000 h无明显温升.     

三腔串联压电泵的结构设计与试验测试

为研究增加腔体数目对压电泵输出性能产生影响,结合多腔体串联压电泵的工作特点,采用带有被动截止阀的工作方式,设计了一种结构新颖的三腔串联压电泵.理论分析了在压电振子不同工作方式下三腔串联压电泵的工作特点,获得最佳工作方式,并通过样机的试验测试进行验证.以水为工作介质,对三腔串联压电泵输出能力进行了试验测试,将输出结果同双腔串联压电泵进行比较.结果表明：三腔串联压电泵流量输出同两腔串联压电泵比较有所降低,前者约为后者的0.7倍,但压力输出有所提高,前者为后者的1.5倍;增加腔体数目会进一步提高串联压电泵的输出压力,但却减少了输出流量;所设计的三腔串联压电泵,在110 V正弦交流电驱动下,最大输出流量可达860 mL/min,最大输出压力可达80 kPa.     

双腔串联压电胰岛素泵性能分析与试验

针对目前胰岛素泵多采用步进电机作为驱动源进而成本高、结构复杂的应用现状,提出利用压电泵进行胰岛素推注的研究方案.分析了压电胰岛素泵的工作原理及两种工作方式,即直接输液与间接输液.对比了无阀压电泵、主动阀压电泵及被动阀压电泵性能特点,同时为提高泵输出压力,选择双腔串联压电泵作为胰岛素注射的驱动源,设计了双腔串联压电泵的结构,分析了双腔串联压电泵的工作原理,对常见的3种截止阀进行开启压力及流量性能测试,制作不同截止阀的双腔串联压电泵样机,搭建了试验测试系统,测试不同驱动频率下压电泵直接输送与间接输送方式输出流量、输出压力变化对比曲线.试验结果表明：与直接输液相比间接输液方法压电泵输出流量及压力均较大,在驱动电压为100 V、频率为210 Hz时,间接输出最大流量达到810 mL/min;伞形橡胶阀截止性能好,压电泵输出流量较大.     

并联压电泵腔体初始容积设计

为探究腔体初始容积对压电泵性能的影响,设计了双腔体并联压电泵.通过理论分析,确定了双腔并联压电泵能够工作时泵腔初始容积的取值范围,根据理论公式设计制作了6种不同腔体初始容积的双腔并联有阀压电泵样机,对泵腔初始容积的变化与泵工作性能关系进行研究.在110 V工作电压下,工作频率小于400 Hz范围内,用压电双晶片进行驱动,分别以液体水和空气为介质,对不同压缩比（压电振子振动产生的泵腔容积变化量与泵腔初始容积的比值）下的并联泵进行了试验测试.结果表明,当泵送液体水时,压缩比为1/18时泵的整体输出流量最好,最大输出流量可达1 330 mL/min,压缩比越大,泵的输出压力和自吸能力越好,最大输出压力和自吸高度分别为58.5 kPa和69 cm;当泵送气体空气时,压缩比越大,泵的输出能力越好,最大输出流量和压力分别为850 mL/min和6.5 kPa,当压缩比小于1/32时,泵已经失去了输出气体能力.     

泵用压电振子与泵腔体积变化的测试研究

为了准确获得压电泵泵腔体积的变化量,针对影响泵腔体积变化的关键因素——压电振子的变形特性进行分析,并采取非接触的测量方式对基板直径为65 mm,陶瓷直径为60 mm的圆形压电振子进行变形测试.在测试中对该压电振子的中心点在不同电压信号驱动下振幅随频率、驱动电压的变化规律以及压电振子径向各点在正弦电压信号驱动下振幅随半径的变化规律进行了研究.根据压电振子径向各点振幅的变化规律利用Matlab软件进行二次函数曲线拟合计算,得到压电振子的径向切面变形拟合曲线,根据拟合曲线,建立了压电泵泵腔体积变化量的理论计算方法.结果表明：压电振子中心点振幅随频率的增大而逐渐减小,随驱动电压的增大而增大;径向各点振幅随各点半径的增大而减小;拟合计算结果与实测数据基本吻合,最大相对误差仅为6.96%;利用压电泵泵腔体积变化量的理论计算方法,计算得到利用该圆形压电单晶片振子制作的压电泵在100 V,30 Hz正弦电压信号的作用下,泵腔每次振动产生的体积变化量约为34.009 mm3,理论上最大输出流量为61.216 mL/min.     

摩擦传动的压电定位台高精度跟踪控制

针对选用的摩擦传动的压电定位台控制系统,首先根据其物理机理建立了近似的时域数学模型,通过开环实验,采用最小二乘法进行了参数辨识,所得模型与实际系统对输入的脉宽信号与三角波信号具有较为一致的输出;然后根据该模型的形式,采用其逆系统补偿加滑模变结构控制的方案,并讨论了该控制算法的稳定性及其参数的选择依据;最后进行了信号跟踪的实验测试,得到了微米级(最大跟踪误差为0.010 95 mm)的控制精度。作为对比,采用PI控制方法跟踪同一信号,结果表明,本文所用控制算法的控制精度远优于常规的PI控制方法。     

附壁射流无阀压电微泵的多场耦合模拟

为了研究在多场耦合影响下的压电微泵的输出性能,提出了一种新的数值模拟方法,以附壁射流无阀压电微泵为对象进行数值计算,并通过试验验证了数值计算方法的正确性,同时对压电泵的外特性进行了研究.结果表明:随着频率的增大,压电泵的流量和背压都呈现先增大后减小的趋势;当电压为200 V,频率为62.5 Hz时,压电泵的流量和背压都达到最大,分别为0.703 mL/min和0.672 kPa;提取压电振子的位移分布和压电泵瞬时流量的数据,显示压电泵的出口瞬时流量滞后于瞬时电压的原因是耦合作用的影响;随着喉部高度H的增大,压电泵的流量呈现先增大后减小的趋势,当电压为200 V,频率为50.0 Hz,喉部高度H=0.4 mm时流量达到最大,为4.023 mL/min;结合压电振子的最大位移曲线和压电泵内部流场的速度矢量图分析,表明压电振子的最大振幅决定于从泵腔泵出的总流量,而内流场形成的旋涡尺寸和位置决定了进口管和出口管之间流量的分配.     

无阀微压电泵关键部件工作过程仿真

设计了一种以Cymbal振子为驱动器的新型无阀微压电泵.研究了Cymbal振子的工作过程.在Cymbal振子有限单元模型的基础上,对其工作过程进行仿真分析.通过模态分析得到了Cymbal振子的前5阶固有频率和振型,选出其中最符合工作要求的频率和振型;通过瞬态分析.结合压电耦合分析,得到了振子在方波电压作用下的瞬态动力学特性.     

滴灌压电泵的驱动电源设计与试验研究

针对滴灌压电泵对驱动电源的要求,基于EG8010逆变器芯片,采用单相桥式电压型逆变与整流电路以及SPWM技术控制正弦波发生器芯片实现一种基于SPWM技术开关型电源驱动装置.首先提出了适用于滴灌压电泵的驱动电源结构和工作原理,通过相应控制调节电路,形成激励电压与频率连续可调的单相正弦波,从硬件上进行了输出电压反馈与调节电路、频率调节电路、温度监测电路的设计,以此作为滴灌压电泵激励源并进行了试验研究.结果表明:与信号发生器和功率放大器组成的传统驱动方式相比,该驱动电源拥有自带死区控制、稳定性强、波形失真小、结构简单、体积小、操作方便、成本低等优点,能够满足其对滴灌压电泵的驱动与控制等要求.     

两种双腔串联压电泵结构设计与性能比较

为研究结构形式对双腔串联压电泵输出性能的影响,根据其工作原理,设计了有导流槽和无导流槽两种结构形式的双腔串联有阀压电泵,并加工制造了试验样机,分别以水和空气为介质进行输出性能比较试验．试验结果表明,在110V正弦交流电驱动下,有导流槽结构的双腔串联压电泵流量输出性能更好,输出的最大液体和气体流量分别为1100和650mL／min,但容易在导流槽内残留气泡;两者压力输出性能整体上比较接近,最大输出压力可达100kPa;无导流槽的双腔串联压电泵整体自吸性能更好,最大自吸高度为45cm水柱．     

基于压电冲击法的水稻穴直播监测系统设计与试验

为精准实时监测水稻穴直播机播种状态,提高监测稳定性,以弹射式耳勺型水稻穴直播排种器为研究载体,采用PVDF压电薄膜为传感元件,以ATmega328P MCU控制器为核心,基于压电冲击法设计了水稻穴直播监测系统。通过分析种群投种轨迹,设计了可辅助监测且导种成穴的导种管,确定了PVDF压电薄膜传感器的安装部位。结合排种器多粒穴播作业特点,确定了4种作业故障监测算法。设计了系统硬件电路,开发了蓝牙无线串口传输APP,实现了上、下位机无线通信。台架测试表明:在不同工况下系统灵敏度均在90. 83%及以上,可实现对信号的有效采集。由田间试验得到系统的重播监测精度、漏播监测精度及有效监测精度的平均值的最小值分别为81. 79%、80. 42%和97. 67%,且系统在机具发生重播或漏播时可进行声光报警。该监测系统满足水稻穴直播监测要求,有助于提高水稻穴直播作业质量。     

主动阀压电泵阀体分析

针对无阀压电泵的截止性能和工作输出压力的不足,提出了一种新型矩形压电双晶片式主动阀压电泵.分析了主动阀压电泵的工作原理,设计、制作了两端夹持式矩形压电双晶片主动阀,建立了阀体的有限元模型,对阀体进行了有限元仿真与试验研究,分析了阀体的静态、动态特性,得到了主动阀阀体位移与不同影响因素之间的关系曲线,同时分析了主动阀阀体前四阶模态及对应的固有频率.搭建了试验测试系统并对主动阀阀体进行了相关试验测试,将试验测试结果与仿真分析结果进行了对比分析,试验验证了有限元仿真结果的可靠性.分析了影响压电泵流量的几个因素,对两端夹持式主动阀的结构参数进行了试验分析.该仿真分析及试验结果为主动阀压电泵阀体结构设计提供了理论指导.     

基于有限元模拟的泵用压电振子正交优化设

作为压电泵的驱动源,压电振子的振动性能影响泵的性能.为此,对影响压电振子振动性能的压电振子结构参数以及材料参数进行优化设计.基于有限元模拟分析方法,采用正交试验和对分析结果进行极差分析,得到了各影响因素分别对压电振子中心点处振幅以及谐振频率两个重要指标影响的主次顺序,并得到了较好的方案.通过再设计试验分析,最终获得了提高压电振子振动性能的最优方案.