一种新型无阀微泵系统的研究

论文摘要

由于能够精确检测和控制流量,微流量系统在药物微量输送、燃料微量喷射、细胞分离、集成电子元件冷却以及微量化学分析等方面有着重要的应用前景。作为该类系统核心部件的微泵与微阀已成为近年来国内外学者研究的热点。目前微泵研究中存在驱动电压高、输出方式单一等缺点。本文提出了一种基于电磁驱动的无阀微泵系统,该微泵采用电磁驱动方式,具有低电压驱动、响应速度快和使用安全等特点,并且可以根据外围传感器的反馈信号自动调节输出流量,实现自适应控制。论文首先介绍了微泵的发展历史及国内外研究现状,分析了微泵的各种驱动方式及其特点;其次给出了微泵系统的整体设计方案及微泵的各部分机械结构设计方案,分析了微泵的工作原理;通过对微泵内流场的理论分析,建立了微泵的数学模型并通过仿真给出了微泵输出流量、压力的仿真结果;为了进一步深入研究微泵内部流体的运动情况和受力情况,论文采用流体动力学软件FLUENT对微泵进行内流场的可视化仿真研究。根据微泵系统的特点,论文还设计了无阀微泵控制系统的硬件控制电路和软件控制程序。最后为了验证和测试系统的各种性能,论文给出了无阀微泵系统的性能测试实验方案,并通过实验给出了实验结果,通过与仿真结果进行对比分析,说明了该微泵系统性能稳定,流量可调节,流量输出特性与理论分析结果基本趋势一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的目的和意义
• 1.2 微泵技术的国内外研究现状
• 1.2.1 机械式微泵
• 1.2.2 非机械式微泵
• 1.2.3 无阀微泵的研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容及结构安排
• 第2章 无阀微泵系统的设计及数学建模分析与仿真
• 2.1 无阀微泵系统的整体结构设计
• 2.2 无阀微泵的机械结构设计
• 2.3 无阀微泵系统的工作原理
• 2.3.1 无阀微泵的工作原理概述
• 2.3.2 扩散管/喷嘴的内压力分布计算
• 2.3.3 扩散管/喷嘴的流动阻力系数计算
• 2.3.4 微泵的电磁驱动工作原理
• 2.4 无阀微泵的效率分析
• 2.4.1 压力损失系数
• 2.4.2 微泵的扩张效率
• 2.4.3 微泵的容积效率
• 2.5 无阀微泵的理论模型分析及仿真
• 2.5.1 有阀微泵流量的计算
• 2.5.2 无阀微泵输出流量的定量计算
• 2.6 无阀微泵输出流量的Matlab仿真
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于FLUENT的微泵内流场仿真分析
• 3.1 FLUENT软件简介
• 3.1.1 GAMBIT简介
• 3.1.2 FLUENT求解器简介
• 3.2 FLUENT求解过程
• 3.3 微泵内流场仿真分析研究
• 3.3.1 计算模型的建立
• 3.3.2 计算条件的设置
• 3.3.3 仿真结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 无阀微泵控制系统的设计
• 4.1 无阀微泵硬件控制系统的设计
• 4.1.1 控制系统硬件总体设计方案
• 4.1.2 主控制芯片介绍及硬件电路设计
• 4.2 无阀微泵控制系统的软件设计
• 4.2.1 主控制芯片的软件设计
• 4.2.2 上位机控制软件设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 无阀微泵系统的实验及结果分析
• 5.1 无阀微泵的动态性能测试
• 5.1.1 电磁驱动装置性能测试
• 5.1.2 无阀微泵流量性能测试
• 5.1.3 无阀微泵输出压力性能测试
• 5.2 实验结果与仿真结果对比分析
• 5.3 无阀微泵系统的整体性能测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢