CN108035869A - 一种非共振式自适应可换向微型压电泵装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非共振式自适应可换向微型压电泵装置，属于流体传输与控制领域。自适应压电泵整体由上盖、泵体、下盖、密封圈和压电振子组成；3个压电振子通过螺栓与密封圈进行连接和密封，两侧流道经过两侧阀座与中间泵腔连通；压电振子采用分割电极法在压电陶瓷的表面电极上分割出面积较小传感单元和面积较大驱动单元。特色与优势：通过监测压电振子的工作状态，改变动力部压电振子的驱动电压及频率，可实现输出流量的自适应精确控制，集成度/输出精度高；通过监测主动阀部的开度，每个循环周期内只包含吸入和排出过程，避免了流体回流现象，具有非共振特性，故出流平稳、脉动小、能量转换效率高。

Description

一种非共振式自适应可换向微型压电泵装置

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，具体涉及一种非共振式自适应可换向微型压电泵装置。

背景技术

随着科技发展，近年来在微流体传输领域出现了一种基于逆压电效应原理的压电泵装置，同传统泵相比，压电泵具有结构简单、成本低、体积小、重量轻、耗能低，无电磁干扰、可根据施加电压或频率控制输出流量的特点。不过，由于压电泵属于容积泵，虽理论上其流量可通过改变施加电压或频率精确控制，但是在实际工作中，压电泵一般采用最佳工作频率进行驱动，在系统共振状态下工作，通过调节驱动电压进行输出性能控制。在这种驱动方式下，压电泵往往存在以下情况：

①由于承载能力，结构等因素限制，工作环境对其输出流量影响很大

②由于压电泵是由压电振子、工作流体、进出口阀及泵体构成的复杂流固耦合系统，外界条件的变化会引起最佳工作频率的漂移

③压电陶瓷本身的迟滞、蠕变、非线性等不良特性，以及压电陶瓷多次压电效应都影响泵输出流量的准确性和可控性

故单纯地采用调节驱动电压方法尚无法获得较高的输出精度。因此，目前在药品控释、DNA样品制备、电泳检测、PCR反应、化学分析等精密的微量流体输送与控制应用中，仍需采用额外的流量及压力测量仪器进行实时监测，这不仅提高了使用成本，而且增加了系统的体积、质量及复杂程度，严重地阻碍了压电泵在微机电系统及便携类产品中的推广应用。

可见，输出流量精确、可控性好、环境适应能力强的微小型压电泵依然是很多领域所急需的。

发明内容

针对现有压电泵自身所固有的某些局限性或弊端，本发明提出一种非共振式自适应可换向微型压电泵装置，以下简称自适应压电泵。

本发明采用的技术方案是：自适应压电泵整体由上盖、泵体、下盖、密封圈和压电振子组成。具体连接方式为：3个压电振子通过螺栓与密封圈进行连接和密封；所述压电振子均由金属基板和压电陶瓷粘接而成，采用分割电极法在压电陶瓷的表面电极上分割出面积较小传感单元和面积较大驱动单元；所述压电振子还与控制系统相连；所述控制系统中的驱动模块连接驱动单元与金属基板，所述控制系统中的感应模块连接传感单元与金属基板；两侧流道经过两侧阀座与泵腔连通。

本发明中，对3个压电振子施加存在一定相位差的交流电压，使得3个压电振子在交流电压作用下往复振动，其中动力部的压电振子促使泵腔的容积交替地增加与减小，主动阀部的压电振子促使两主动阀部交替地开启与关闭，从而实现流体的流动；一种较佳工作过程为：左侧主动阀部完全打开，右侧主动阀部完全关闭，泵腔内的容积开始增大，流体将从左侧流道进入泵腔，此为吸入过程；左侧主动阀部完全关闭，右侧主动阀部完全打开，泵腔内的容积开始减小，流体从泵腔流向右侧流道，此为排出过程，吸入与排出过程交替循环，实现流体从左侧流道流向右侧流道；同理，通过改变驱动电压相位差，可实现流体从右侧流道流向左侧流道。

由于压电泵内部复杂的流固耦合存在以及压电振子本身具有迟滞、蠕变、非线性的特性，故在不同条件下压电泵常常不能达到上述较佳工作过程，即压电振子不能按照驱动信号及时动作，使吸入和排出过程时主动阀部没有达到完全开启以及关闭状态，具体表现为流量输出不稳定、阀动作滞后/超前产生流体回流等；在本发明中，控制系统中感应模块可感知3个压电振子的振动频率和变形幅度，从而监测压电振子实际工作情况，并反馈给控制模块；驱动模块受控制模块指示，通过改变主动阀部压电振子驱动电压与频率的方式并结合感应模块信号，使主动阀部压电振子在吸入和排出过程中实现完全开启或关闭，以此实现非共振状态工作；同理，通过感知动力部压电振子振动频率和变形幅度，可得到压电泵的实际输出流量，改变动力部压电振子的驱动电压或频率，即可获得设定的输出流量，以此实现自适应功能。

本发明的自适应压电泵工作时，每个循环周期内分为流体吸入和排出过程，故出流平稳、脉动小，其工作时流量为Q＝ΔVf，由压电方程导出压电振子形变产生的感应电压为U_s＝h₃₁δ，压电振子变形可视为半球面变形，则压电振子变形量结合以上三公式，可得到输出流量与感应电压之间的关系为其中ΔV为压电振子最大体积改变量，f为压电振子驱动频率，h₃₁是压电刚度系数，δ为圆形压电振子中心处最大位移量，d为与压电振子直径。从式中可知在泵结构及压电振子一定时，通过获得压电振子的感应电压U_s即可感知压电泵的输出流量Q，同时也可以通过压电振子的感应电压信号获得主动阀部的开度以及是否完全开启以及关闭。

本发明的特色在于：①具有非共振特性，即通过监测压电振子的实际工作状态，每个循环周期内只包含吸入和排出过程，避免了流体回流现象，故出流平稳、脉动小、能量转换效率高；②具有自适应功能，可自感知压电泵的输出流量并通过改变动力部压电振子的驱动电压及频率，实现不同流量的自适应精确控制，集成度/输出精度高；③改变驱动电压相位差，可改变流体进出方向。

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压电振子及其控制系统示意图；

具体实施方式：

如图1、图2所示，本发明自适应压电泵整体由上盖5、泵体10、下盖9、密封圈6和压电振子4.1、4.2、4.3组成；压电振子4.1、4.2、4.3通过螺栓与密封圈6进行连接和密封；所述压电振子4.1、4.2、4.3由金属基板4a和压电陶瓷粘接而成，采用分割电极法在压电陶瓷的表面电极上分割出面积较小传感单元4c和面积较大驱动单元4b；所述驱动模块m1连接驱动单元4b与金属基板4a用于压电振子的驱动，所述感应模块m3连接传感单元4c与金属基板4a用于压电振子的感应电压信号收集；所述压电振子4.1、泵体10和泵腔3构成动力部2，所述压电振子4.2、泵体10和阀座8构成主动阀部7；流道1经过阀座8与泵腔3连通，泵腔3经图中另一阀座8与流道11连通。

本发明中，对压电振子4.1、4.2、4.3施加存在一定相位差的交流电压，使得压电振子4.1、4.2、4.3在交流电压作用下往复振动，其中压电振子4.1促使泵腔3的容积交替地增加与减小，压电振子4.2、4.3促使两主动阀部7交替地开启与关闭，从而实现流体的流动。一种较佳工作过程为：主动阀7完全打开，图中另一主动阀7完全关闭，泵腔3内的容积开始增大，流体从流道1经阀座8进入泵腔3，此为吸入过程；主动阀7完全关闭，图中另一主动阀7完全打开，泵腔3内的容积开始减小，流体从泵腔3经图中另一阀座8进入流道11，此为排出过程，吸入与排出交替循环，实现流体从流道1流向流道11；同理，通过改变驱动电压相位差，可实现流体从流道11流向流道1。

下面对本发明做进一步阐述：如图2所示，控制系统中感应模块m3可感知压电振子4.2、4.3的振动频率和变形幅度，从而监测主动阀部7的开度，并反馈给控制模块m5，驱动模块m1受控制模块m5指示，通过改变主动阀部7压电振子4.2、4.3的驱动电压与频率并结合感应模块m3信号，使主动阀部7压电振子4.2和4.3在吸入和排出过程中实现完全开启或关闭，此为非共振状态工作；同理，通过感知动力部2压电振子4.1振动频率和变形幅度，可得到自适应压电泵的实际输出流量，改变动力部2压电振子4.1的驱动电压或频率，即可获得设定的输出流量，此为自适应功能。

以上内容不能认定本发明的具体实施只局限于此；对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种非共振式自适应可换向微型压电泵装置，其特征在于：自适应压电泵整体由上盖、泵体、下盖、密封圈和3个压电振子组成；压电振子通过螺栓与密封圈进行连接和密封。

2.根据权利要求1所述的一种新型非共振式自适应微型压电泵装置，其特征在于：压电振子由金属基板和压电陶瓷粘接而成，采用分割电极法在压电陶瓷的表面电极上分割出面积较小传感单元和面积较大驱动单元。

3.根据权利要求1所述的一种新型非共振式自适应微型压电泵装置，其特征在于：驱动模块连接驱动单元与金属基板，感应模块连接传感单元与金属基板。

4.根据权利要求1所述一种新型非共振式自适应微型压电泵装置，其特征在于：感应模块感知主动阀部压电振子的振动频率和变形幅度，监测主动阀部的开度，并反馈给控制模块，驱动模块受控制模块指示，通过改变主动阀部压电振子驱动电压与频率的方式并结合感应模块信号，使主动阀部的压电振子在吸入和排出过程中实现完全开启或关闭。

5.根据权利要求1所述一种新型非共振式自适应微型压电泵装置，其特征在于：感应模块感知动力部压电振子的振动频率和变形幅度，可得到压电泵的实际输出流量，通过改变低电力部压电振子驱动电压与频率的方式并结合感应模块信号，获得设定的输出流量。