论文摘要
压电泵是近年来发展起来的一种新型流体泵，在流体系统中有着广阔的应用前景。压电泵的输出性能不仅取决于进口和出口截止阀特性，而且与腔体的结构形式息息相关。本文结合国家自然科学基金项目-“主动阀压电泵作用机理与关键技术研究”（项目编号：50575093）和教育部高等学校科技创新工程重大项目培育基金项目-“驱动测试控制功能一体化新型压电机构研究”（项目编号：708028），利用压电双晶片驱动压电泵工作，采用一种轮式平板阀，构造多腔串联结构的小型系列压电泵。在研发多腔串联压电泵的基础上，开展了多腔串联压电泵的结构设计以及试验等方面的研究。1、压电泵的国内外研究现状与发展压电泵具有结构简单、无电磁干扰、转换效率高、性能可靠等优点，是许多国家学者研究的热点课题，已经有30多年的研发历史。本文在查阅大量国内外相关文献的基础上，总结了压电泵的各种分类方法，并对有阀压电泵、无阀压电泵的国内外研究现状和应用情况进行了综述，了解到目前压电泵产品已经广泛应用于航空航天、化学分析、生物工程等各个领域。由于单腔压电泵的输出压力和输出流量均有限，采用多腔串联结构研发成为了一种良好的方案。国内外对于该方面的研究还处于起步阶段，研究成果较少，深入地了解多腔串联压电泵的工作特性，提高多腔压电泵的输出性能，为压电泵在更广泛领域的应用打下基础。2、压电振子振动特性研究压电振子是压电泵的动力元件，它的性能直接影响到压电泵的输出能力。利用薄板变形理论，建立了圆形压电振子弯曲变形的曲线方程，推导了压电振子变形量和容积变化量的解析式。对本文选用基板直径为35mm、陶瓷直径为29mm压电双晶片振子变形量进行了理论计算。应用ANSYS仿真软件建立了压电振子的有限元模型，对振子振动时的各阶振型频率和变形量进行了仿真分析。通过试验方法对压电振子的静态特性进行了测试，从而验证了理论分析和有限元仿真结果的正确性。3、压电泵被动截止阀的设计单向截止阀是决定有阀压电泵输出性能的关键部件，有阀压电泵研究与发展是伴随单向阀的发展而不断进步。针对多腔串联压电泵输出压力高的特点，为提高阀的承载能力和反向截止能力，本文采用一种由厚度5-7μm左右铍青铜加工的轮式平板阀。理论分析了轮式平板阀在静载荷作用下变形量及通流能力，确定了轮式平板阀的几何尺寸，研究了作用在阀两侧的压力差对阀通流能力的影响，并分析了其动态响应特性，为进一步提高输出流量提供了理论依据。4、多腔串联压电泵工作性能分析与测试多腔串联压电泵可以看作是多个单腔压电泵的串联工作模式，具有较大的输出流量和较好的输出压力。多腔串联压电泵是脉动输出，很难建立精确的数学模型计算分析其输出性能。为此，采用多个压电晶片设计制作了双腔串联、三腔串联和四腔体串联等结构的压电泵系列样机，对各个结构工作时的表现特性进行理论分析，并对输出压力、输出流量、阀的安装位置以及不同驱动方式等情况进行了试验测试。试验结果表明：①从输出压力来看，三腔串联压电泵在整个工作频率段的输出压力约为两腔串联的1.5倍，输出压力比较平稳，而四腔泵输出压力波动较大。但是，随着串联级数的增加，多腔串联压电泵的输出压力持续增大。②从输出流量来看，多腔压电泵在高频段（大于200Hz）工作时，随着腔体数量的增加，输出流量增加较多，在输出电压的工作频率为300Hz时，四腔串联压电泵的输出流量达到了将近1000ml/min。可见，多腔体串联压电泵可以有效地提高压电泵的输出流量性能。5、多腔串联压电泵驱动电源设计为满足压电振子快速响应的要求，运用FPGA和DDS技术为多腔串联压电泵设计了快速响应的驱动电源。DDS是一种新型的频率合成技术，从“相位”的概念出发进行频率合成，具有较高的频率分辨率。以FPGA芯片作为硬件电路的核心，通过VHDL语言设计的DDS驱动电源的IP核嵌入在FPGA内部。采用模块化的思想，设计了DDS系统外围电路，进行了软件设计，并且对该驱动电源进行了试验测试，结果表明该驱动电源的输出波形（正弦波、三角波和方波）精度较高，当频率和波形等参数改变时响应速度快，达到电源输出稳定性要求。6、多腔串联压电泵闭环控制系统设计压电泵在工作过程中，易受气泡、杂质等干扰，输出流量有时会不稳定。为此，设计了多腔串联压电泵闭环控制系统，它由缓冲电路、调幅电路、功率放大电路、升压变压器等部分组成，核心部件是在缓冲级之后由FPGA控制数字电位器组成的可变增益的调幅电路。实际的输出流量通过换算转换成电压值后，与参考电压值做比较，存在偏差则调节调幅电路的数字电位器抽头位置，运用FPGA芯片通过增益调整来实现多腔串联压电泵流量的稳定控制，为今后的研究提供新的思路和试验平台。