CN102192135A - 自带传感器的压电叠堆泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自带传感器的压电叠堆泵，属于微流体传输与控制领域应用领域。用于驱动的压电叠堆和用于测量的压电传感器安装于泵体内部，泵体一端安装有拧紧螺钉，拧紧螺钉通过防扭挡片将压电传感器及压电叠堆挤压在顶块上，顶块通过螺钉与泵腔隔膜及活塞连接，泵盖上安装有进口阀和出口阀，压电传感器和压电叠堆分别通过导线与控制电源相连。利用内置的压电式压力传感器检测压电叠堆的变形量信息、并将其转换成泵流量及压力，无需其它的压力及流量测量仪器即可实现压电泵输出性能的在线监测，易于获得精确的输出流量与压力。

Description

自带传感器的压电叠堆泵

技术领域

本发明属于微流体传输与控制领域应用微小型压电液压泵， 具体涉及一种自带传感器的精密型压电叠堆泵。

背景技术

利用压电叠堆，也称叠堆型压电振子在电场作用下产生的伸缩变形，人们提出了多种结构的叠堆型压电液压泵，简称压电叠堆泵，如：中国专利200810050240.7、中国专利200810064461.X及中国专利200910146813.0等。同传统的机械式液压泵相比，压电叠堆泵具有结构简单、体积小、无电磁干扰、流量/压力可控性好等诸多优势，因此在医疗、化学分析、航空航天、汽车发动机燃料供给、微机电液系统等方面具有广泛的应用前景。由于压电叠堆泵每个工作周期输出的流体量即为泵腔的容积变化量，因此可实现精量流体输送。但在实际应用中，流体粘度及输出压力变化都直接影响压电叠堆的变形量，从而影响泵输出流量的准确性。因此，在精密的微量流体输送与控制应用中：如药品输送、微型精密液压驱动系统等，常需采用额外的流量及压力测量仪器进行实时监测，这不仅增加了系统使用成本，也增加了系统的体积和复杂程度，严重地阻碍了压电叠堆泵在微机电系统及便携类产品中的推广应用。

发明内容

本发明提供一种自带传感器的压电叠堆泵，以解决压电叠堆泵的输出精度和可控性差、系统的体积复杂的问题。

本发明采取的技术方案是：用于驱动的压电叠堆和用于测量的压电传感器安装于泵体内部；所述泵体一端安装有拧紧螺钉，拧紧螺钉通过防扭挡片将压电传感器及压电叠堆挤压在顶块上；所述顶块通过螺钉与泵腔隔膜及活塞连接；泵腔隔膜再通过螺钉与泵体及泵盖连接；泵盖上安装有进口阀和出口阀；活塞以及安装于所述活塞上的密封圈、泵盖、进口阀和出口阀共同构成泵腔；所述的压电传感器和压电叠堆分别通过导线与控制电源相连。

当所述控制电源开启后，压电叠堆受电压（输入电压0→                                               

）作用开始伸长，并推动顶块、泵腔隔膜及活塞运动，从而使泵腔容积减小（流体压力增加）、出口阀开启、进口阀关闭，泵腔内流体经出口阀排出；同时，压电传感器因受压电叠堆的反作用力而缩短，并产生电压（0→）。当控制电源的输出电压换向后（

→0），压电叠堆受泵腔隔膜的反作用力而收缩，致使泵腔容积增加、出口阀关闭，流体由进口阀进入；与此同时，压电传感器所受压力随压电叠堆的缩短而减小、输出电压开始下降（

→0）。当控制电源的输出电压降至0时，压电叠堆及压电传感器的受力状态、活塞5的位置均恢复至初始状态，至此完成一个工作循环。

在本发明中，压电传感器的输出电压经导线组传至控制电源，并被转换成压电泵的输出流量和压力。众所周知，在频率及驱动电压确定时，压电泵输出流量和输出压力之间存在较好的线性关系，压力为零时压电叠堆形量（泵腔容积变化量或流量）最大，传感器输出的电压最大；相反，输出压力最大时，压电叠堆变形量（泵腔容积变化量或流量）最小，传感器输出的电压最小。因此，本发明采用压电传感器的输出电压来表征压电泵的输出压力及流量。对于给定的输入电压

及频率

，本发明中压电泵的输出压力

和流量

可通过压电传感器的输出电压

获得，其计算公式为：

，

，其中

、

、

分别为压电叠堆、压电传感器和泵腔隔膜的刚度，

、

分别为压电叠堆和压电传感器的长度，

为压电叠堆中单层晶片厚度，

、

分别为压电叠堆和压电传感器材料的压电常数，

、

、

分别为压电叠堆、压电传感器及活塞的横截面积，

为压电叠堆陶瓷材料的机械柔顺系数，为压电传感器材料的介电常数， 

、

分别为输出压力和流量的标定系数。

为使动态工作时压电叠堆的伸长与缩短特性相同，应使泵腔隔膜的刚度与压电叠堆-压电传感器串联后的等效刚度相等，即泵腔隔膜厚度及顶块半径b应满足如下关系：，其中， 

，为泵腔(活塞)半径，

、

分别为泵腔隔膜材料的弹性模量和泊松比，此时压电传感器的输出电压与压电叠堆的输入电压波形相同。

本发明特点及优势在于：利用内置的压电式压力传感器检测压电叠堆的变形量信息：电压信号、并将其转换成泵流量及压力，无需其它的压力及流量测量仪器即可实现压电泵输出性能的在线监测，易于获得精确的输出流量与压力。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中自带传感器压电叠堆泵排出流体时的结构及其剖面示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中自带传感器压电叠堆泵吸入流体后的结构及其剖面示意图；

图4是本发明一个较佳实施例中压电叠堆输入电压波形图；

图5是本发明一个较佳实施例中传感器输出电压波形图。

具体实施方式

在本发明中，用于驱动的压电叠堆12和用于测量的压电传感器13安装于泵体11内部；所述泵体11的一端安装有拧紧螺钉15，拧紧螺钉15通过防扭挡片14将压电传感器13及压电叠堆12挤压在顶块10上；所述顶块10通过螺钉9与泵腔隔膜7及活塞5连接，泵腔隔膜7通过螺钉8与泵体11及泵盖1连接；泵盖1上安装有进口阀2和出口阀3；活塞5以及安装于所述活塞上的密封圈6、泵盖1、进口阀2和出口阀3共同构成泵腔4；所述的压电传感器13和压电叠堆12分别通过导线组一18和导线组二17与控制电源16相连。

如图1所示，所述控制电源20开启后，压电叠堆12受电压（输入电压0→

）作用开始伸长，并推动顶块10、泵腔隔膜7及活塞5运动，泵腔4的容积减小（流体压力增加）、出口阀3开启、进口阀2关闭，泵腔4内的流体经出口阀3排出；同时，压电传感器13因受压电叠堆12的反作用力而被压缩，并产生电压（0→

）。当控制电源20的输出电压换向后（

→0），压电叠堆12在泵腔隔膜7的作用下开始收缩，致使泵腔4的容积增加、出口阀3关闭，流体由进口阀2进入；于此同时，压电传感器13所受外力随压电叠堆12的缩短而减小，并使输出电压开始下降（Vg→0）。当控制电源20的输出电压降至0时，压电叠堆12及压电传感器13的受力状态、活塞5的位置均恢复至初始状态（如图3所示），至此完成一个工作循环。

在本发明中，传感器13的输出电压经导线组一18传至控制电源16，并被转换成压电泵的输出流量和压力信号。对于给定的输入电压

及频率

，本发明中压电泵的输出压力

和流量

可通过压电传感器的输出电压

获得，其计算公式为：

，

，其中

、

、

分别为压电叠堆、压电传感器和泵腔隔膜的刚度，

、

分别为压电叠堆和压电传感器的长度，

为压电叠堆中单层晶片厚度，

、

分别为压电叠堆和压电传感器材料的压电常数，、

、分别为压电叠堆、压电传感器及活塞的横截面积，

为压电叠堆陶瓷材料的机械柔顺系数，

为压电传感器材料的介电常数， 

、

分别为输出压力和流量的标定系数。为使动态工作时压电叠堆的伸长与缩短特性相同，应使泵腔隔膜刚度与压电叠堆-压电传感器串联后的等效刚度相等，即泵腔隔膜7的厚度

及顶块10的半径b应满足如下关系：

，其中， 

，

为泵腔(活塞)半径，

、

分别为泵腔隔膜材料的弹性模量和泊松比，此时传感器输出电压与压电叠堆输入电压波形相同，如图4、图5所示。

Claims (3)

1.自带传感器的压电叠堆泵，其特征在于: 用于驱动的压电叠堆和用于测量的压电传感器安装于泵体内部；所述泵体一端安装有拧紧螺钉，拧紧螺钉通过防扭挡片将压电传感器及压电叠堆挤压在顶块上；所述顶块通过螺钉与泵腔隔膜及活塞连接；泵腔隔膜再通过螺钉与泵体及泵盖连接；泵盖上安装有进口阀和出口阀；活塞以及安装于所述活塞上的密封圈、泵盖、进口阀和出口阀共同构成泵腔；所述的压电传感器和压电叠堆分别通过导线与控制电源相连。

2.根据权利要求1所述的自带传感器的压电叠堆泵，其特征在于，其输出压力                                               

和流量

可通过压电传感器输出电压求得，即：

，

，其中

、

、分别为压电叠堆、压电传感器和泵腔隔膜的刚度，、分别为压电叠堆和压电传感器的长度，

为压电叠堆中单层晶片厚度，

、

分别为压电叠堆和压电传感器材料的压电常数，

、

、分别为压电叠堆、压电传感器及活塞的横截面积，为压电叠堆陶瓷材料的机械柔顺系数，

为压电传感器材料的介电常数， 

、分别为输出压力和流量的标定系数，

为压电叠堆输入电压。

3.根据权利要求1所述的自带传感器的压电叠堆泵，其特征在于，泵腔隔膜的刚度与压电叠堆-压电传感器串联后的等效刚度相等，即泵腔隔膜厚度及顶块半径b应满足如下关系：

，其中， ，

为泵腔(活塞)半径，

、

分别为泵腔隔膜材料的弹性模量和泊松比。

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