CN102374158A

CN102374158A - 自感知压电隔膜泵

Info

Publication number: CN102374158A
Application number: CN2011101812099A
Authority: CN
Inventors: 王淑云; 阚君武; 蒋永华; 张忠华; 温建明; 程光明
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-03-14

Abstract

本发明涉及一种自感知压电隔膜泵，至少包括一个复合型薄片式压电振子、一个泵体、一个泵盖、一组控制流体运动方向的单向阀以及一个控制电源。其特征在于，所述的复合型薄片式压电振子由PZT压电晶片(用作驱动器)、金属基板和PVDF压电薄膜(用作传感器)依次粘接而成，所述压电驱动器和压电传感器分别通过导线控制电源相连；当压电驱动器受外加电压作用发生弯曲变形时，所述压电传感器也发生弯曲变形并产生电能所产生的电压信号经适当转换处理后用于表征压电泵的输出压力与流量。本发明优势在于：利用一个复合型薄片式压电振子实现驱动与传感监测两种功能，无需其它压力及流量测量仪器即可实现压电泵输出性能的实时监测。

Description

自感知压电隔膜泵

技术领域

本发明属于微流体传输与控制领域应用的微小精密压电泵，具体涉及一种自感知压电隔膜泵。

背景技术

作为压电驱动器的一个重要分支，压电隔膜泵以其结构简单、体积小、反应快、无电磁干扰、易于操作、流量/压力可控性好等诸多优势，在医疗、化学分析、航空航天、汽车发动机及燃料电池的燃料供给、微机电液系统等方面都有广泛的应用前景，其研制开发备受世界各国学者的广泛关注。为满足不同领域的应用需求，人们提出了多种结构形式的压电隔膜泵。尽管所提出的压电隔膜泵结构形式及性能差异较大，但都是利用薄片型压电振子在电场作用下产生的弯曲变形实现流体驱动的。因压电隔膜泵的每个工作循环输出的流体即为薄片型压电振子变形所引起的泵腔的容积变化量，故可实现流量及压力的精确控制，尤其适用于药品控释(如中国专利200610016573.9、200610030183.7)、化学试剂配比(如中国专利200810050550.9)等方面。然而，在实际工作中压电隔膜泵的输出流量及压力受工作条件的影响较大，除驱动电压、频率外，流体粘度、温度以及输出压力等变化也都会影响压电振子的变形量(即压电泵的流量)。因此，单纯地采用调节驱动电压和频率的方法尚无法获得较高的输出精度，在药品控释、化学分析以及燃料电池等要求流量及压力控制精确较高的场合仍需采用流量及压力测量仪器进行实时监测，这不仅增加了使用成本，也增加了系统的体积、重量及复杂程度，严重地阻碍了压电隔膜泵在微机电系统及便携类产品中的推广应用。

发明内容

为提高压电隔膜泵的输出精度和可控性、降低成本、减小系统总体的体积和重量，本发明提出一种自感知压电隔膜泵，即利用包含驱动器及传感器的复合型薄片式压电振子同步实现驱动与性能监测，无需其它压力及流量测量仪器。

本发明的自感知压电隔膜泵，至少包括一个复合型薄片式压电振子、一个泵体、一个泵盖、一组控制流体运动方向的单向阀以及一个控制电源。所述复合型薄片式压电振子由泵体和泵盖夹持，所述泵体上安装有进口阀和出口阀；所述进出口阀、泵体、压电振子共同构成泵腔；所述复合型薄片式压电振子是由驱动器(PZT压电晶片)、金属基板及传感器(PVDF压电薄膜粘)接而成的复合结构；所述压电振子的传感器及驱动器分别经导线与控制电源相连。本发明的特征在于，当压电振子的驱动器受外加电压作用产生弯曲变形时，所述传感器也受迫弯曲并产生电能；其特征还在于，传感器生成的电能经适当转换处理后用于表征压电泵的输出压力和流量。

当所述控制电源开启并进入稳态工作时，压电振子的驱动器受电压(输入电压-V₀→0→V₀)作用使其向泵腔内弯曲，泵腔容积减小(流体压力增加)、进口阀关闭、出口阀开启，所述泵腔内的流体经出口阀排出，此为流体排出过程；在所述流体排出过程中，压电振子的传感器也随同压电振子向泵腔内部弯曲，并将机械能转换成电能(电压逐步增加，-V_g→0→V_g)。当控制电源的输出电压换向后(V₀→0→-V₀)，驱动器使压电振子向泵腔的外部弯曲，致使所述泵腔容积增加、进口阀开启、出口阀关闭，流体由进口阀进入泵腔，此为吸入过程；在吸入过程中，压电振子的传感器受力状态发生变化，并使其输出电压开始下降(V_g→0→-V_g)。

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：当输出压力为零时压电振子变形量(泵腔容积变化量或流量)最大，所对应传感器的输出电压也最大；相反，输出压力最大时，压电振子变形量(泵腔容积变化量或流量)最小，所对应的传感单元输出的电压也最小。因此，根据压电振子中传感器的输出电压即可求得压电泵的输出压力及流量。

本发明特点及优势在于：利用包含驱动器及传感器的复合型薄片式压电振子同步实现驱动与传感监测，无需额外的压力及流量测量仪器即可获得压电泵输出流量及压力。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中自感知压电隔膜泵的结构及其剖面示意图

图2是本发明一个较佳实施例中自感知压电隔膜泵排程、吸程结构示意图

图3是本发明一个较佳实施例中压电驱动器输入电压及传感器输出电压波形

具体实施方式

如图1所示，复合型薄片式压电振子1安装于泵体2的内部，并通过泵盖3夹紧；所述泵体2和泵盖3通过螺钉4连接；所述泵体2上安装有进口阀6和出口阀7；压电振子1、泵体2、进口阀6和出口阀7共同构成泵腔5。复合型薄片式压电振子1由PZT压电晶片驱动器10、金属基板11和PVDF压电薄膜传感器12粘接而成；所述PZT压电驱动器10和PVDF压电传感器12分别通过导线组81和导线组82与控制电源8相连。

如图2、图3所示，当所述控制电源8开启并进入稳态工作时，压电驱动器10受电压(输入电压-V₀→0→V₀)作用使压电振子1向泵腔5的内弯曲，进而使所述泵腔5的容积减小(流体压力增加)、进口阀6关闭、出口阀7开启，所述泵腔5内的流体经出口阀7排出，此为流体排出过程；在所述流体排出过程中，压电传感器12也随同压电振子1向泵腔5内部弯曲，所述压电传感器12的输出电压逐步增加(-V_g→0→V_g)。当控制电源8的输出电压换向后(V₀→0→-V₀)，压电驱动器10使压电振子1向泵腔5的外部弯曲，致使所述泵腔5容积增加、进口阀6开启、出口阀7关闭，流体由进口阀6进入，此为吸入过程；进入吸入过程后，压电传感器的受力状态发生变化，并使输出电压开始下降(V_g→0→-V_g)。

在上述实施例压电泵的排程与吸程过程中，压电泵的瞬时输出压力、流量以及传感器12的输出电压都是由压电振子1的弯曲变形状态所确定的。此外，当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：泵的输出压力为零时，压电振子1的变形量(泵腔5容积变化量或泵的流量)最大，所对应压电传感器12的输出电压也最大；相反，泵的输出压力最大时，压电振子1的变形量(泵腔5的容积变化量或泵的流量)最小，所对应的压电驱动器12的输出电压也最小。因此，本发明采用压电传感器12的输出电压来表征压电泵的输出压力和流量。

Claims

1.一种自感知压电隔膜泵，由一个驱动-传感一体的复合型薄片式压电振子、一个泵体、一个泵盖、一组安装于泵体上的单向阀以及一个控制电源构成。其特征在于，所述复合型薄片式压电振子由PZT压电晶片、金属基板和PVDF压电薄膜依次粘接而成，其中PZT压电晶片和PVDF压电薄膜分别用于驱动和传感；其特征还在于，当所述PZT压电晶片受外加电压作用发生弯曲变形时，所述PVDF压电薄膜也发生弯曲变形并产生电能，所产生的电压信号经转换处理后用于表征压电泵的输出压力和流量。

2.根据权利要求1的自感知压电隔膜泵，其特征在于，PVDF压电薄膜粘接在PZT压电晶片上。