CN112701954A - 一种超声步进超细单雾滴发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超声步进超细单雾滴发生器，由阀体、阀芯和弹簧构成单向阀，阀体通过导管与喷嘴相连，利用压电陶瓷组成的超声直流电机，利用压电陶瓷的逆压电效应驱动导管进行直线运动，并且通过利用超声直线电机纳米级的进给量，将喷腔内的液体挤压出喷嘴，从而获得微小且定量的液滴。由于压电振子驱动导管可以产生纳米级进给量，使得每次溢出的液滴体积可以达到微米级，满足产生微小液滴的要求。

Description

一种超声步进超细单雾滴发生器
技术领域
本发明涉及一种超声步进超细单雾滴发生器，属于农业工程领域。
背景技术
在农业工程学科中，微小单液滴对于作物营养吸收定量分析非常重要。目前微流控领域主要使用的是微流控芯片。这种芯片大多由于加工精度要求极高，导致加工成本高，无法做到量产。另一种产生微小液体的技术被应用到喷墨打印机中，通常使用的是热发泡技术或者压电技术，这些方案大多结构复杂且不够精确，而且需要复杂的控制系统。
目前产生微小单液滴的装备普遍存在精度不高、结构复杂以及成本过高的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，发明了一种超声步进超细单雾滴发生器，利用压电陶瓷的逆压电效应，驱动导管进行直线运动。通过利用超声直线电机纳米级的进给量，将喷腔内的液体挤压出喷嘴，从而低成本且高精度地获得微液滴。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种超声步进超细单雾滴发生器，其特征在于：包括阀芯、弹簧、阀体、橡胶垫片、导管、橡胶活塞、喷嘴、喷头支架、底板、电机支架、拨齿、超声直线电机；
所述阀芯和弹簧安装在阀体内部，所述阀芯在弹簧的弹力作用下抵在阀体的进液孔处；所述阀体的输液口a与导管通过螺纹连接、且连通；所述导管右端装有橡胶活塞，所述橡胶活塞与容置于喷嘴的喷头内腔、且与其相配合；
所述喷嘴由装在底板上的喷头支架支撑；电机支架通过螺纹连接装在所述底板上，所述超声直线电机装在电机支架上，
所述超声直线电机包括压电陶瓷a、压电陶瓷b、轴套、双头螺柱轴、压电陶瓷垫片、螺母；
所述双头螺柱轴固定在电机支架上，所述压电陶瓷a与压电陶瓷b被对称安装在双头螺柱轴上，且压电陶瓷b位于靠近双头螺柱轴中心的位置、所述压电陶瓷a置于压电陶瓷b的外部，所述压电陶瓷a与压电陶瓷b之间、以及压电陶瓷a的外侧均设有压电陶瓷垫片；轴套设置在所述双头螺柱轴的两端、且由螺母压紧；
所述拨齿设在轴套与螺母之间；
所述导管安装在拨齿上端。
进一步地，所述压电陶瓷a为半圆环状，共八块；所述压电陶瓷b为圆环状，共四块；每两个压电陶瓷a拼接组成一个圆环装在双头螺柱轴上，位于同一平面内的上下两个所述压电陶瓷a的极化方向相反，驱动电压相位相差180度；所述压电陶瓷b的上下极化方向相同，驱动电压相位相差180度；所述压电陶瓷a与压电陶瓷b驱动电压相位相差90度。
进一步地，所述喷嘴的喷头内腔靠近出液孔的位置为人字形导流孔。
进一步地，所述喷嘴的出液孔的长度为2～4mm；所述喷头内腔的长度为8～10mm。
进一步地，所述喷头内腔的直径根据生成液滴的直径大小和导管单次脉冲进给量大小计算得出，即由以下公式确定：
Figure BDA0002856835220000021
其中，x为导管的进给量，d1为喷头内腔的直径，d2为喷嘴出液孔的直径。
进一步地，所述轴套外形为向外扩张的喇叭形。
进一步地，所述导管上在拨齿右侧处设有挡环。
进一步地，所述挡环直径为4～5mm，宽度为1～2mm。
进一步地，所述进液孔直径为5～6mm，长度为6～10mm，所述输液孔a直径为3～4mm，长度为16～20mm，所述输液孔b直径为1～1.5mm，长度为75～85mm。
进一步地，所述导管被橡胶垫片与拨齿所夹持，所述橡胶垫片上有端盖，通过螺栓将拨齿、橡胶垫片和端盖从下至上依次连接起来。
本发明优点在于：
1.导管是工作在纵、弯两种模态下的复合模态压电振子所驱动的，即是将同一超声频率交流激励电压信号施加于压电陶瓷a和压电陶瓷b，同时激化出压电陶瓷a和压电陶瓷b的纵向和弯曲两种振动模态，使得拨齿在该共振频率下被激振，在两端拨齿与导管接触表面质节点形成椭圆运动并放大。当给导管施加一定预紧力，使两端拨齿压紧接触移动体时，通过拨齿和导管之间的摩擦带动导管做直线运动。
2.导管的直线运动可以产生进给量，进给量可以使喷腔中的液体溢出，并且可以通过测量进给量，计算出单次液体溢出体积。由于压电振子驱动导管可以产生纳米级进给量，使得每次溢出的液滴体积可以达到微米级，满足产生微小液滴的要求。
3.轴套外形采用向外扩张的喇叭形可以减缓导管的每次进给速度，使液体可以缓慢溢处，从而提高精度。
4.超声频率激励电压信号使得压电陶瓷产生超声级频率振动，通过振动传导使得溢出的液体受到振动，从而促使液滴从喷嘴脱落。
附图说明
图1为本发明所述超声步进超细单雾滴发生器结构示意图。
图2为本发明实施例的压电陶瓷a示意图。
图3为本发明实施例的压电陶瓷b示意图。
图4为本发明实施例的超声直线电机工作原理示意图。
图5为本发明实施例的超声直线电机主体的四分剖模型示意图。
图6为本发明实施例的超声直线电机主体四分剖模型在频率为50952Hz下纵向振型示意图。
图7为本发明实施例的超声直线电机主体四分剖模型在频率为49420Hz下弯曲振型示意图。
图8为本发明实施例的导管夹紧装置侧面的局部放大示意图。
图9为本发明实施例的喷头内腔和喷嘴的局部放大示意图。
附图标记：
1-进液孔、2-阀芯、3-弹簧、4-阀体、5-输液孔a、6-输液孔b、7-橡胶垫片、8-挡环、9-压电陶瓷a、10-压电陶瓷b、11-导管、12-端盖、13-螺栓、14-橡胶活塞、15-喷头内腔、16-喷嘴、17-喷头支架、18-底板、19-轴套、20-电机支架、21-双头螺柱轴、22-压电陶瓷垫片、23-拨齿、24-螺母。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“下”、“上”、“内部”、“外壁”、“左端”、“右端”、“一端”、“另一端”、“靠内处”、“靠外处”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的超声步进超细单雾滴发生器，包括阀芯2、弹簧3、阀体4、橡胶垫片7、导管11、橡胶活塞14、喷嘴16、喷头支架17、底板18、电机支架20、拨齿23、超声直线电机。所述阀芯2和弹簧3安装在阀体4内部，所述阀芯2在弹簧3的弹力作用下抵在阀体4的进液孔1处，所述阀体4、阀芯2和弹簧3构成单向阀。所述阀体4的输液口a6与导管11通过螺纹连接、且连通；所述导管11右端装有橡胶活塞14，所述橡胶活塞为圆环形，橡胶活塞14与容置于喷嘴16的喷头内腔15、且与其相配合。
所述喷嘴16由装在底板18上的喷头支架17支撑；电机支架20通过螺纹连接装在所述底板18上，所述超声直线电机装在电机支架20上。所述超声直线电机包括压电陶瓷a9、压电陶瓷b10、轴套19、双头螺柱轴21、压电陶瓷垫片22、螺母24；所述双头螺柱轴21固定在电机支架20上，所述压电陶瓷a9与压电陶瓷b10被对称安装在双头螺柱轴21上，且压电陶瓷b10位于靠近双头螺柱轴21中心的位置、所述压电陶瓷a9置于压电陶瓷b10的外部，所述压电陶瓷a9与压电陶瓷b10之间、以及压电陶瓷a9的外侧均设有压电陶瓷垫片22；轴套19设置在所述双头螺柱轴21的两端、且由螺母24压紧。所述拨齿23设在轴套19与螺母24之间；所述导管11安装在拨齿23上端。
所述压电陶瓷a9为半圆环状，共八块，如图2所示；所述压电陶瓷b10为圆环状，如图3所示，共四块；每两个压电陶瓷a9拼接组成一个圆环装在双头螺柱轴21上，位于同一平面内的上下两个所述压电陶瓷a9的极化方向相反，驱动电压相位相差180度；所述压电陶瓷b10的上下极化方向相同，驱动电压相位相差180度；所述压电陶瓷a9与压电陶瓷b10驱动电压相位相差90度。这样压电陶瓷a9主要产生弯曲振动，压电陶瓷b10主要产生纵向振动。
如图4所示，超声直线电机的工作原理为：电机的工作周期为图4中a、b、c、d循环往复。首先如图4中a所示，驱动振子的纵向振动达到振幅位置，弯曲振动处于平衡位置，这时，拨齿23的表面脱离导管11弯曲振动的振速最大，纵向振动的振速为零；紧接着如图4中b所示，驱动振子恢复到平衡位置，弯曲振动达到振幅位置，这时，右端拨齿23接触导管11，其接触面纵向振速最大，方向为拉伸方向，即向右，弯曲振速为零；然后如图4中c所示，驱动振子的纵向振动又达到振幅位置，弯曲振动处于平衡位置，这时，拨齿23的表面脱离导管11弯曲振动的振速最大，纵向振动的振速为零；最后如图4中d所示，驱动振子再次达到平衡位置，弯曲振动达到振幅位置，这时，左端拨齿23接触导管11，其接触面纵向振速最大，方向为压缩方向，即向右，弯曲振速为零。在这样的工作周期下，直线电机的驱动方向为向右驱动。
轴套19外形采用向外扩张的喇叭形，如图5所示，可以减缓导管的每次进给速度，使液体可以缓慢溢出，从而提高精度。
如图6、图7所示，将由压电陶瓷a9、压电陶瓷b10、轴套19、双头螺栓轴21、垫片22、拨齿23和螺母24构成的超声直线电机进行模态分析，得出电机的整体的纵向振动和弯曲振动的固有频率。由于电机部分为对称性，为简化运算，在Solidworks中建立四分剖模型，如图5所示。并将四分剖模型导入Ansys Workbench中，分别限制坐标轴方向形变，求出纵向振动和弯曲振动的固有频率,得出纵向振动频率和弯曲振动频率最为相近的振动频率，分别为50952Hz和49420Hz，相差1.532kHz，如图6和图7所示。为达到直线电机弯振与纵振的共振，工作电压设为50kHz。
如图8所示，导管11的夹紧装置包括：拨齿23、橡胶垫片7、端盖12和螺栓13。并且每个夹紧装置采用双螺栓防松。具体的，所述导管11被橡胶垫片7与拨齿23所夹持，所述橡胶垫片7上有端盖12，通过螺栓13将拨齿23、橡胶垫片7和端盖12从下至上依次连接起来。通过调节螺栓13的预紧力，来保证直线电机的工作过程中导管11的锁紧防松。
阀体4、阀芯2和弹簧3构成的单向阀安装在进液孔1的右端。当进液孔1进液时，通过液压推动弹簧3，从而使得阀芯4缩进，如此液体可以进入到输液孔a5中。当导管11进行脉冲进给工作时，喷头内腔15产生液压，由于阀体4，阀芯2和弹簧3构成的单向阀将进液孔1与和输液孔a5之间的连接封死，因此液体可以顺利的从喷嘴16溢出。
如图7所示，设导管11进给量为x,设喷头内腔15直径为d1,设喷嘴16直径为d2，可得公式：
Figure BDA0002856835220000051
所述喷头内腔15的直径根据生成液滴的直径大小和导管单次脉冲进给量大小计算得出。导管11单次脉冲进给量x为6nm，喷嘴16直径d2为0.05mm，即产生0.05mm直径的液滴，根据公式
Figure BDA0002856835220000052
得到喷管内腔15直径d1约等于3.72678mm。
进液孔1直径为6mm，长度为6mm；输液孔a5直径为2mm，长度为15mm；输液孔b6直径为1mm，长度为76mm。所述导管11上在拨齿23右侧处设有挡环8，挡环8直径为4mm，宽度为1mm。挡环8左壁至导管11右壁的距离为62mm。
根据本发明实施例的一种超声步进超细单雾滴发生器的工作过程：
工作时，首先将整体机构竖直放置，以防之后的注入液体步骤中，液体直接从喷嘴16流出。然后将导管11拖拉至使左侧拨齿23的右壁与挡环8的左壁相接触，如此可以使喷头内腔15空出最大空间。其次从进液孔1注入液体，通过液压推动弹簧3，从而使得阀芯4缩进，如此液体可以进入到输液孔a5中。紧接着通过输液孔b6，进入到喷头内腔15之中，待到液体溢出喷嘴16时停止注入液体。完成上面的步骤后将整体装置如图1所示水平放置。至此本发明实施例的进液步骤完成。然后将同一超声频率交流激励电压信号施加于压电陶瓷a9和压电陶瓷b10，同时激化出电机整体的纵向和弯曲两种振动模态，使得拨齿23在该共振频率下被激振，在两端拨齿23与导管11接触表面质节点形成椭圆运动并放大。当给导管11施加一定预紧力，使两端拨齿23压紧接触移动体时，通过拨齿23和导管11之间的摩擦带动导管11做直线运动。导管11做直线运动时可以产生进给量，在该进给量下可以使喷头内腔15中的液体溢出。最后超声频率激励电压信号使得压电陶瓷片产生超声频率级振动，通过振动传导使得溢出的液体受到振动，从而促使液滴从喷嘴16脱落。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声步进超细单雾滴发生器，其特征在于：包括阀芯(2)、弹簧(3)、阀体(4)、橡胶垫片(7)、导管(11)、橡胶活塞(14)、喷嘴(16)、喷头支架(17)、底板(18)、电机支架(20)、拨齿(23)、超声直线电机；
所述阀芯(2)和弹簧(3)安装在阀体(4)内部，所述阀芯(2)在弹簧(3)的弹力作用下抵在阀体(4)的进液孔(1)处；所述阀体(4)的输液口a(6)与导管(11)通过螺纹连接、且连通；所述导管(11)右端装有橡胶活塞(14)，所述橡胶活塞(14)与容置于喷嘴(16)的喷头内腔(15)、且与其相配合；
所述喷嘴(16)由装在底板(18)上的喷头支架(17)支撑；电机支架(20)通过螺纹连接装在所述底板(18)上，所述超声直线电机装在电机支架(20)上，
所述超声直线电机包括压电陶瓷a(9)、压电陶瓷b(10)、轴套(19)、双头螺柱轴(21)、压电陶瓷垫片(22)、螺母(24)；
所述双头螺柱轴(21)固定在电机支架(20)上，所述压电陶瓷a(9)与压电陶瓷b(10)被对称安装在双头螺柱轴(21)上，且压电陶瓷b(10)位于靠近双头螺柱轴(21)中心的位置、所述压电陶瓷a(9)置于压电陶瓷b(10)的外部，所述压电陶瓷a(9)与压电陶瓷b(10)之间、以及压电陶瓷a(9)的外侧均设有压电陶瓷垫片(22)；轴套(19)设置在所述双头螺柱轴(21)的两端、且由螺母(24)压紧；
所述拨齿(23)设在轴套(19)与螺母(24)之间；
所述导管(11)安装在拨齿(23)上端。
2.根据权利要求1所述的超声步进超细单雾滴发生器，其特征在于：所述压电陶瓷a(9)为半圆环状，共八块；所述压电陶瓷b(10)为圆环状，共四块；每两个压电陶瓷a(9)拼接组成一个圆环装在双头螺柱轴(21)上，位于同一平面内的上下两个所述压电陶瓷a(9)的极化方向相反，驱动电压相位相差180度；所述压电陶瓷b(10)的上下极化方向相同，驱动电压相位相差180度；所述压电陶瓷a(9)与压电陶瓷b(10)驱动电压相位相差90度。
3.根据权利要求1所述的超声步进超细单雾滴发生器，其特征在于：所述喷嘴(16)的喷头内腔(15)靠近出液孔的位置为人字形导流孔。
4.根据权利要求1所述的超声步进超细单雾滴发生器，其特征在于：所述喷嘴(16)的出液孔的长度为2～4mm；所述喷头内腔(15)的长度为8～10mm。
5.根据权利要求1所述的超声步进超细单雾滴发生器，其特征在于：所述喷头内腔(15)的直径根据生成液滴的直径大小和导管单次脉冲进给量大小计算得出，即由以下公式确定：
Figure FDA0002856835210000011
其中，x为导管(11)的进给量，d1为喷头内腔(15)的直径，d2为喷嘴(16)出液孔的直径。
6.根据权利要求1所述的超声步进超细单雾滴发生器，其特征在于：所述轴套(19)外形为向外扩张的喇叭形。
7.根据权利要求1所述的超声步进超细单雾滴发生器，其特征在于：所述导管(11)上在拨齿(23)右侧处设有挡环(8)。
8.根据权利要求1所述的超声步进超细单雾滴发生器，其特征在于：所述挡环(8)直径为4～5mm，宽度为1～2mm。
9.根据权利要求1所述的超声步进超细单雾滴发生器，其特征在于：所述进液孔(1)直径为5～6mm，长度为6～10mm，所述输液孔a(5)直径为3～4mm，长度为16～20mm，所述输液孔b(6)直径为1～1.5mm，长度为75～85mm。
10.根据权利要求1所述的超声步进超细单雾滴发生器，其特征在于：所述导管(11)被橡胶垫片(7)与拨齿(23)所夹持，所述橡胶垫片(7)上有端盖(12)，通过螺栓(13)将拨齿(23)、橡胶垫片(7)和端盖(12)从下至上依次连接起来。
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