CN113339249A

CN113339249A - 基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法

Info

Publication number: CN113339249A
Application number: CN202110716573.4A
Authority: CN
Inventors: 江虹; 吴国辉; 王岳成
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2021-09-03

Abstract

本发明涉及基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法及系统，方法包括：搭建自感知驱动压电泵频率特性试验，获取多个传感电压信息，判断压电泵输出流量的最佳工作频率；搭建自感知驱动压电泵电压特性试验，获取多个传感电压信息，判断压电泵最佳工作频率下的输出流量特性的最佳工作电压；本发明通过桥式自感知驱动电路确定压电泵输出流量特性实现精确监测压电泵工作状态的目的。

Description

基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法

技术领域

本发明涉及微流体驱动与测控领域的技术结合，特别是涉及一种基于自感知驱动电路对压电泵输出流量特性进行监测的方法与系统。

背景技术

压电泵作为一种压电致动器，由于其体积小、易操作、反应速度快、结构简单、精度高等诸多优点而被广泛地运用到交通、化工、医疗等诸多领域当中。压电泵的结构主要包括泵体、压电晶片驱动器和阀构成，其工作原理是利用压电晶片驱动器通电弯曲变形导致腔室内容积变化来实现流体驱动的，因此可以通过控制驱动电压来实现压电泵输出流量与压力的精准控制。然而压电泵的输出受外界(温度、流体粘度等)的条件影响很大，单纯的开环控制状态下不能满足压电泵在较高精度的场合下的运用。

为了提高压电泵的输出精度与可控性，现有学者提出了在压电泵结构中集成微传感器的方法，2011年阚君武等人集成了压力传感器来表征压电泵的输出性能。这种间接测量的方式不仅会提高整体成本而且还增加了系统的体积与复杂程度，在实际工作情况下，其检测精度还会受到流体浓度、气体含量等因素的影响而不能准确反映压电泵正常的工作状态。同年，王淑云等人提出把压电晶片分割为驱动单元与传感单元两部分，利用传感单元生成的感知电压来表征压电泵的输出特性信息，精确度要优于一般集成传感器的方式。但是，这种空分复用的方法没有实现驱动器与传感器的真实配置，其精度与可靠性方面仍然存在一定的不足。因此，针对于在医疗、工业制造等高精度驱动场合下需要对压电泵输出流量特性的监测需求，需要研究一种低成本、高精度的监测方式。

发明内容

本发明的目的是提供基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法及系统，通过桥式自感知驱动电路实现精确监测压电泵输出流量特性的最佳工作点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法，包括：

搭建自感知驱动压电泵频率特性试验；

获取在多个固定驱动电压时多个不同频率下自感知驱动电路解耦提取的传感电压；

根据所述的传感电压确定压电泵输出流量最佳工作频率。

可选的，所述根据所述的传感电压确定压电泵输出流量最佳工作频率，具体包括：

将多个固定驱动电压时多个不同频率下自感知驱动电路解耦提取的传感电压的数值绘制在以频率为变量的坐标系；

获取多个传感电压曲线的峰值点；

根据所述多个曲线的峰值点确定多个电压下的最佳工作频率。

搭建自感知驱动压电泵电压特性试验；

获取在最佳工作频率时多个不同电压下自感知驱动电路解耦提取的传感电压；

根据所述传感电压确定压电泵最佳工作频率下输出流量的最佳工作电压。

可选的，所述根据所述传感电压确定压电泵输出流量的最佳工作电压，具体包括：

将多个不同电压下自感知驱动电路解耦提取的传感电压的数值绘制在以电压为变量的坐标系；

根据多个传感电压曲线确定所述压电泵最佳工作频率下最佳工作电压，得到所述压电泵流量输出特性的最佳工作点。

基于自感知驱动的压电泵输出特性监测系统，所述基于自感知驱动电路的压电泵输出流量特性的自监测系统应用如上述任意一项所述的基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法，所述基于自感知驱动电路的压电泵输出流量特性的自监测系统包括：任意函数信号发生器、功率放大器、自感知驱动电路、压电泵、混合域示波器；

所述任意函数信号发生器设置为自感知驱动系统的驱动信号源；所述任意函数信号发生器与所述功率放大器连接；所述功率放大器还与自感知驱动电路相连；所述自感知驱动电路还与所述压电泵相连；所述自感知驱动电路还与所述示波器相连；所述功率放大器用于放大所述任意函数信号发生器产生的正弦波驱动信号；所述自感知驱动电路用于解耦提取出所述传感电压；所述混合域示波器用于显示所述自感知驱动电路解耦出的传感电压并根据所述传感电压确定最佳工作频率与最佳工作电压。

可选的，任意函数信号发生器型号为AFG3102C，频率范围：1uHZ-100MHz，最高电压20V，最大漂移小于1ppm。

可选的，所述功率放大器型号为ATA-2161，频率范围：0-150kHz，最高电压1600V。

可选的，所述自感知驱动电路可搭建在面包板或PCB板上。

可选的，所述压电泵为有阀压电泵。

可选的，所述混合域示波器型号为MDO4054C，采样率：5GS/s，波形捕获率：340000wfm/s。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的基于自感知驱动的压电泵输出特性的自监测方法及系统，利用桥式电路构成的自感知驱动(Self-Sensing Actuation，SSA)提取传感电压，通过示波器显示传感电压实现精确识别压电泵的工作状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于自感知驱动的压电泵输出特性的监测方法工作示意图；

图2为本发明运用于压电泵的自感知驱动电路图；

图3为本发明提供的基于自感知驱动的压电泵输出特性的监测系统工作示意图；

图4为本发明自感知驱动技术采用的有阀压电泵截面图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供基于自感知驱动实现的压电泵输出特性的监测方法及系统，通过桥式自感知驱动电路解耦提取的传感信号实现精确识别压电泵输出流量特性的最佳工作点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的就自感知驱动的压电泵输出特性监测方法，包括：

步骤101：搭建自感知驱动压电泵频率特性试验。

步骤102：获取在多个固定驱动电压时多个不同频率下自感知驱动电路解耦提取的传感电压；

步骤103：根据所述的传感电压确定压电泵输出流量最佳工作频率。

在实际应用中，步骤103，具体包括：

获取多个传感电压曲线的峰值点；

步骤104：搭建自感知驱动压电泵电压特性试验；

步骤105：获取在最佳工作频率时多个不同电压下自感知驱动电路解耦提取的传感电压；

步骤106：根据所述传感电压确定压电泵最佳工作频率下输出流量最佳工作电压。

在实际应用中，步骤106，具体包括：

本发明提供的基于自感知驱动的压电泵输出特性监测具体方法，步骤如下：

步骤1：建立自感知驱动的压电泵输出特性自监测系统。本发明的自感知驱动的压电泵输出特性的自监测系统主要由任意函数信号发生器、功率放大器、自感知驱动电路、压电泵、混合域示波器组成。任意函数信号发生器型号为AFG3102C，频率范围：1uHZ-100MHz，最高电压20V，最大漂移小于1ppm。所述功率放大器型号为ATA-2161，频率范围：0-150kHz，最高电压1600V。所述混合域示波器型号为MDO4054C，采样率：5GS/s，波形捕获率：340000wfm/s。为了实现传感电压的解耦提取，设计了桥式自感知驱动电路。如图2所示，为了适配压电泵的驱动电压水平，每个电桥桥臂上的元件均采用高压元件。为了降低压电泵工作过程中由于等效电容的变化造成电桥不平衡的影响，在每个桥臂上均串联了电容器Cadd，压电泵中的压电执行器等效为电容Cp与电压源Vp串联的形式。输出的差分电压由1倍差分运算放大器输送至混合域示波器进行显示。电路解耦提取的传感电压计算公式为：

步骤2：建立自感知驱动压电泵系统频率试验。在函数信号发生器上选取多个合适的压电泵驱动电压，分别在每个驱动电压固定的情况下改变驱动频率，压电泵达到正常工作状态时读取混合域示波器显示的电压值，多次采样电压值进行处理并绘制曲线，通过多组曲线寻找最大的共同峰值点，其对应的频率点即为压电泵的最佳工作频率点。

步骤3：建立自感知驱动压电泵系统电压试验。在函数信号发生器上固定压电泵的驱动频率，改变驱动电压来进行试验，压电泵达到正常工作状态时读取混合域示波器显示的电压值，多次采样电压值进行处理并绘制曲线，寻找到曲线峰值点，其对应的电压值即为压电泵的最佳工作频率下的最佳工作电压。

如图3所示，本发明还提供就自感知驱动的压电泵输出特性监测系统，应用如上述基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法所述的，所述基于自感知驱动的压电泵输出特性的自监测系统包括：任意函数信号发生器、功率放大器、自感知驱动电路、压电泵、混合域示波器；

所述任意函数信号发生器设置为自感知驱动系统的驱动信号源；所述任意函数信号发生器与所述功率放大器连接；所述信号放大器还与自感知驱动电路相连；所述自感知驱动电路还与所述压电泵相连；所述自感知驱动电路还与所述示波器相连；所述功率放大器用于放大所述任意函数信号发生器产生的正弦驱动信号；所述自感知驱动电路用于解耦提取出所述传感电压；所述混合域示波器用于显示所述自感知驱动电路解耦出的传感电压并根据所述传感电压确定最佳工作频率与最佳工作电压。

在实际运用中，任意函数信号发生器型号为AFG3102C，频率范围：1uHZ-100MHz，最高电压20V，最大漂移小于1ppm。所述功率放大器型号为ATA-2161，频率范围：0-150kHz，最高电压1600V。所述混合域示波器型号为MDO4054C，采样率：5GS/s，波形捕获率：340000wfm/s。

在实际运用中，所述自感知驱动电路可搭建在面包板或PCB板上。

在实际运用中，所述压电泵为有阀压电泵。如图4所示，整体结构包括一个进口阀、一个出口阀、一个压电晶片、泵腔与泵壁组成。阀座设置在腔室底部一侧的凹槽内。阀座和槽壁之间留有间隙，为安装阀门提供空间。阀座上的间隙为阀门臂提供安装空间，阀门的固定环扣在阀座上。出口处的阀座设计也是如此。该设计避免了胶粘的固定方式，延长了泵的使用寿命，增强了开关的密封能力。

本发明将自感知驱动与压电泵流体驱动技术相结合，在压电泵驱动系统中加入了桥式自感知驱动电路，解耦提取了压电泵工作时产生的传感电压，利用这种基于二次正压电效应产生的传感电压信号来监测压电泵的输出特性。该方法构建的自感知驱动压电泵系统，实现了精确识别压电泵工作状态的目的，在压电泵中实现了传感器与驱动器的一体化设计，可为工业制造、医疗设备等精准流体驱动领域提供定量评估的帮助。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法，其特征在于，包括：

搭建自感知驱动压电泵频率特性试验；

根据所述的传感电压确定压电泵输出流量最佳工作频率。

搭建自感知驱动压电泵电压特性试验；

根据所述传感电压确定压电泵最佳工作频率下输出流量最佳工作电压。

2.根据权利要求1所述的基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法，其特征在于，所述根据所述传感电压确定压电泵输出流量最佳工作频率，具体包括：

获取多个传感电压曲线的峰值点；

3.根据权利要求1所述的基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法，其特征在于，所述根据所述传感电压确定压电泵最佳工作频率下输出流量最佳工作电压，具体包括：

4.根据权利要求2所述的基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法，其特征在于，所述自感知驱动电路输出电压的计算公式如下：

5.基于自感知驱动的压电泵输出特性监测系统，其特征在于，所述基于自感知驱动的压电泵输出特性的自监测系统应用如权利要求1-4任意一项所述的基于自感知驱动的压电泵输出特性监测方法，所述基于自感知驱动的压电泵输出特性的自监测系统包括：任意函数信号发生器、功率放大器、自感知驱动电路、压电泵、混合域示波器；

6.根据权利要求5所述的基于自感知驱动的压电泵输出特性监测系统，其特征在于，所述任意函数信号发生器型号为AFG3102C，频率范围：1uHZ-100MHz，最高电压20V，最大漂移小于1ppm。所述功率放大器型号为ATA-2161，频率范围：0-150kHz，最高电压1600V。所述混合域示波器型号为MDO4054C，采样率：5GS/s，波形捕获率：340000wfm/s。

7.根据权利要求5所述的基于自感知驱动的压电泵输出特性监测系统，其特征在于，所述自感知驱动电路为桥式解耦电路；所述电路搭建在面包板或者PCB板上。