CN103016319B - 一种自测量压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自测量压电泵，属于微流体传输与控制技术领域。泵盖和阀盖分别通过螺钉安装在泵体的两侧；在所述泵盖和泵体之间通过密封圈压接有压电振子，在所述阀盖和泵体之间粘接有悬臂梁型进口阀和出口阀；所述压电驱动器、进口阀和出口阀均由压电薄膜和基板粘接而成；所述压电驱动器、泵体、出口阀及进口阀共同构成泵腔；所述进口阀、出口阀及压电驱动器分别通过导线组一、导线组二及导线组三与电控单元相连。特色与优势：利用具有传感功能的单向阀直接测量泵的输出压力和流量、无需额外的传感器，故结构简单、测量精度的准确度及可靠度较高，且适于液体、气体以及气液混合物等不同介质的泵送过程中的实时监测。

Description

一种自测量压电泵

技术领域

本发明属于微流体传输控制领域应用的压电泵，具体涉及一种自测量压电泵。

背景技术

压电泵具有结构简单、体积小、反应迅速、无电磁干扰、易于操作、流量及压力可控性好等诸多优势，在医疗、化学分析、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，因此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，人们提出了多种形式结构的压电泵。虽然所提出的压电泵结构形式和性能差异较大，但都是利用压电振子在电场作用下产生的弯曲或伸缩变形实现流体驱动的。因压电泵每个工作循环输出的流体即为压电振子变形所引起的泵腔容积变化量，故可实现流量及压力的精确控制，尤其适用于药品控释等方面。然而，在实际工作中，因压电泵输出流量及压力受工作条件影响较大，除驱动电压、频率外，流体粘度、温度以及输出压力等对其实际输出流量也都有较大影响。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监测，不仅增加了使用成本，也增加了系统体积、重量及复杂程度，严重地阻碍了压电泵在微机电系统及便携产品中的推广应用。

为提高压电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，人们曾提出了多种结构的自带传感器压电泵，无需其它压力及流量测量仪器即可实现输出流量及压力的自动测量，如：中国专利201110173933.7、201110181209.9及201110181208.4等所提出的直接利用压电驱动器变形后所产生的电压表征输出性能的压电泵，中国专利201220276952.2等所提出的利用置于泵腔内压力传感器的输出电压表征输出性能的压电泵等。上述现有的自测量压电泵所采用的测量方式属于间接测量，在某些特殊的工作条件下其测量精度会下降、甚至测量结构完全无效，如：当输送气体、含气量较大的液体、或所输送的水基液体因温度增加而严重气化时，泵腔内因气体含量增加而使压力降低、甚至不能使出口阀开启，此时虽然压电驱动器变形较大且有较高的传感电压输出，但泵的输出流量可能很小或根本无流体输出；同理，当进出口阀自身失效、或不能正常开启与关闭时，同样会导致压电泵的测量精度降低、甚至无效。可见，现有的自测量压电泵在测量精度的准确性和可靠性方面还存在一定的不足。

发明内容

针对现有自测量压电泵在测量精度的准确性及可靠性方面的不足，本发明提出一种基于阀片开度检测实现输出流量及压力测量的压电泵，简称一种自测量压电泵。

本发明采取的技术方案是：泵盖和阀盖分别通过螺钉安装在泵体的两侧；在所述泵盖和泵体之间通过密封圈压接有压电驱动器，在所述阀盖和泵体之间粘接有悬臂梁型进口阀和出口阀；所述压电驱动器、进口阀和出口阀均由压电薄膜和基板粘接而成；所述压电驱动器、泵体、出口阀及进口阀共同构成泵腔；所述进口阀、出口阀及压电驱动器分别通过导线组一、导线组二及导线组三与电控单元相连。

当所述电控单元开启并进入稳态工作后、且驱动电压由-V₀向V₀增加时，压电驱动器向泵腔的外侧弯曲变形，致使泵腔的容积增加、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；当电控单元的输出电压换向后，即驱动电压由V₀向-V₀减小时，压电驱动器向泵腔的内侧弯曲变形，致使泵腔容积减小、进口阀关闭、出口阀开启，流体经出口阀从泵腔排出，此为排出过程。

在上述实施例压电泵的吸入过程与排出过程中，都伴随着进口阀和出口阀的交替开启与关闭、并有电压信号生成，因此进口阀和出口阀还具有传感器的功能；因进口阀及出口阀所产生的电压值、以及压电泵的输出流量和压力均与阀的开度成正比，故压电泵的输出压力P和流量Q均为出口阀及进口阀输出电压的函数，可采用出口阀或进口阀输出电压表征泵压力和流量，且有：

$P=\frac{[a^4{(1-b)}^2-2a({2a}^2-3a+2)(1-b)+1]}{3a(1-a){\mathrm{bg}}_{31}}\frac{h}{L^2}{l}_p{V}_g;$

$Q=\frac{4{(1-a+\mathrm{ab})L}^2}{3a(1-a){\mathrm{bg}}_{31}{E}_p{h}^2}{l}_q{\mathrm{fV}}_g;$

其中：a＝1-h_p/h，b＝E_m/E_p，h、L分别为压电悬臂梁的总厚度和长度，h_p为压电晶片厚度，g₃₁是压电电压常数，E_p和E_m分别是压电材料和金属基板的杨氏模量，l_p和l_q分别为压力和流量的标定系数，f为驱动电压频率，V_g为出口阀或进口阀的输出电压。

本发明的特色及优势在于：利用具有传感功能的单向阀直接测量泵的输出压力和流量、无需额外的传感器，故结构简单、测量精度的准确度及可靠度较高，且适于液体、气体以及气液混合物等不同介质的泵送过程中的实时监测。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例的吸程结构示意图；

图3是本发明一个较佳实施例的排程结构示意图；

图4是本发明一个较佳实施例中压电泵输入电压波形；

图5是本发明一个较佳实施例中进口阀的输出电压波形；

图6是本发明一个较佳实施例中出口阀的输出电压波形；

具体实施方式：

泵盖2和阀盖7分别通过螺钉安装在泵体4的两侧；在所述泵盖2和泵体4之间通过密封圈3压接有压电驱动器1，在所述阀盖7和泵体4之间粘接有悬臂梁型进口阀8和出口阀5；所述压电驱动器1由压电薄膜1-1和基板1-2粘接而成、进口阀8由压电薄膜8-1和基板8-2粘接而成、出口阀5由压电薄膜5-1和基板5-2粘接而成；所述压电驱动器1、泵体4、出口阀5及进口阀8共同构成泵腔6；所述进口阀8、出口阀5及压电驱动器1分别通过导线组一9、导线组二12及导线组三11与电控单元10相连。

当所述电控单元10开启并进入稳态工作后、且驱动电压由-V₀向V₀增加时，压电驱动器1向泵腔6的外侧弯曲变形，致使所述泵腔6的容积增加、进口阀8开启、出口阀5关闭，流体由进口阀8进入泵腔6，此为吸入过程；

当电控单元10的输出电压换向后，即驱动电压由V₀向-V₀减小时，压电驱动器1向泵腔6的内侧弯曲变形，致使所述泵腔6的容积减小、进口阀8关闭、出口阀5开启，流体经出口阀5从泵腔6排出，此为排出过程。

在上述实施例压电泵的吸入过程与排出过程中，都伴随着进口阀8和出口阀5的交替开启与关闭、并有电压信号生成，因此进口阀8和出口阀5还具有传感器的功能；因进口阀8及出口阀5所产生的电压值、以及压电泵的输出流量和压力均与阀的开度成正比，故压电泵的输出压力P和流量Q均为出口阀5的输出电压V_g，c及进口阀8的输出电压V_g，r的函数，可采用出口阀5的输出电压V_g，c或进口阀8的输出电压V_g，r表征压电泵输出压力和流量，且有：

$P=\frac{[a^4{(1-b)}^2-2a({2a}^2-3a+2)(1-b)+1]}{3a(1-a){\mathrm{bg}}_{31}}\frac{h}{L^2}{l}_p{V}_g;$

$Q=\frac{4{(1-a+\mathrm{ab})L}^2}{3a(1-a){\mathrm{bg}}_{31}{E}_p{h}^2}{l}_q{\mathrm{fV}}_g;$

其中：a＝1-h_p/h，b＝E_m/E_p，h、L分别为压电悬臂梁的总厚度和长度，h_p为压电晶片厚度，g₃₁是压电电压常数，E_p和E_m分别是压电材料和金属基板的杨氏模量，l_p和l_q分别为压力和流量的标定系数，f为驱动电压频率，V_g为出口阀5输出电压V_g，c或进口阀8输出电压V_g，r。

Claims (1)

1.一种自测量压电泵，其特征在于：泵盖和阀盖分别通过螺钉安装在泵体的两侧；在所述泵盖和泵体之间通过密封圈压接有压电驱动器，在所述阀盖和泵体之间粘接有悬臂梁型进口阀和出口阀；所述压电驱动器、进口阀和出口阀均由压电薄膜和基板粘接而成；所述压电驱动器、泵体、出口阀及进口阀共同构成泵腔；所述进口阀、出口阀及压电驱动器分别通过导线组一、导线组二及导线组三与电控单元相连；驱动电压增加时，压电驱动器向泵腔外侧弯曲变形，使泵腔容积增加、进口阀开启、出口阀关闭，流体由进口阀进入泵腔；驱动电压减小时，压电驱动器向泵腔内侧弯曲变形，使泵腔容积减小、进口阀关闭、出口阀开启，流体经出口阀从泵腔排出；上述压电泵吸入与排出过程中都伴随着进出口阀的交替开启与关闭、并有电压信号生成，进出口阀所产生的电压值、以及压电泵的输出流量和压力均与阀的开度成正比，可采用出口阀或进口阀的输出电压表征压电泵输出压力和流量，即有：

$P=\frac{[a^4{(1-b)}^2-2a(2a^2-3a+2)(1-b)+1]}{3a(1-a){\mathrm{bg}}_{31}}\frac{h}{L^2}{l}_p{V}_g;$

$Q=\frac{4(1-a+\mathrm{ab})L^2}{3a(1-a){\mathrm{bg}}_{31}{E}_p{h}^2}{l}_{q}f{V}_g;$

其中：a＝1-h_p/h，b＝E_m/E_p，h、L分别为压电悬臂梁的总厚度和长度，h_p为压电晶片厚度，g₃₁是压电电压常数，E_p和E_m分别是压电材料和金属基板的杨氏模量，l_p和l_q分别为压力和流量的标定系数，f为驱动电压频率，V_g为出口阀或进口阀的输出电压。