CN114962205A - 一种压电纤维驱动的液体泵及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于压电泵领域，具体涉及一种压电纤维驱动的液体泵及其控制方法。从左至右依次连接有左体和右体；所述左体和右体之间设置有压电振子；所述压电振子中心相连有输送管；所述输送管内部上下对称设置有两组惯性装置；所述输送管内部设置有滑道；所述滑块固定在滑道内且与输送管滑动配合。特色与优势：功耗低、输出性能高、可用于高粘度液体或含活性组织的液体泵送。

Description

一种压电纤维驱动的液体泵及其控制方法

技术领域

本发明属于压电泵领域，具体涉及一种压电纤维驱动的液体泵及其控制方法。

背景技术

压电驱动具有结构简单、功耗低、控制简单且无电磁干扰等优势，在微小型液体泵中具有广泛的应用前景，如中国专利CN200910146813.0提出一种高流量压电泵，包括壳体和位于所述壳体内的致动器，通过压电致动器和活塞之间的液力偶合器驱动泵腔产生容积变化，进而实现高流量输出。当前压电泵主要为容积式泵，即通过压电振子驱动泵腔产生体积变化结合阀体动作进而实现流体的泵送，由于压电振子变形小（需要高频驱动）以及阀体结构的限制，当前压电泵在泵送高粘度或具有活体组织的液体时，泵送效果差。

发明内容

针对现有压电泵的不足，本发明提出一种压电纤维驱动的液体泵及其控制方法。

本发明采用的技术方案：从左至右依次连接有左体和右体；所述左体和右体之间设置有压电振子；所述压电振子中心相连有输送管；所述输送管与左体和右体之间均为间隙滑动配合，并配套设置有第二密封圈和第一密封圈，这主要实现液体泵的密封；所述左体内部设置有入口通道，泵送液体从入口通道流入；所述右体内部设置有出口通道，泵送液体从出口通道流出；所述输送管包括基体和中间通道；所述中间通道位于输送管内部；所述入口通道、中间通道、出口通道从左至右依次连通。

进一步的，所述压电振子由驱动用压电纤维板和金属基板同心粘接而成；所述驱动用压电纤维板为环状，这可以增大压电振子中心的输出位移。

进一步的，所述输送管内部上下对称设置有两组惯性装置，所述惯性装置由依次相连的第一柔性铰链、阀板、第二柔性铰链、连杆、第三柔性铰链、滑块组成；所述第一柔性铰链连接阀板和基体；所述输送管内部设置有滑道；所述滑块固定在滑道内且与输送管滑动配合；上下对称的两个滑块通过连接件连接为一体，因此上下对称的两个滑块动作完全同步；所述滑块为高密度金属材料加工而成，滑块质量大于第一柔性铰链、阀板、第二柔性铰链、连杆、第三柔性铰链质量之和；所述滑块的质量为

，第一柔性铰链、阀板、第二柔性铰链、连杆、第三柔性铰链质量之和为

，且

，这样可以保证滑块的惯性足够带动阀板动作；对称的两个阀板在往复摆动工作过程中不直接接触，即阀不完全关闭。

进一步的，所述滑块右部与基体间连接有拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的拉力用于滑块的复位；所述滑块为初始位置时，第三柔性铰链位于第二柔性铰链的左部，所述阀板与连杆之间的夹角为β，且30°<β<45°。

进一步的，对称的两个阀板间形成由入口通道向出口通道逐步扩大的扩张口，扩张口的夹角为θ1，且20°<θ1< 50°。

进一步的，所述压电振子左表面同心粘结有传感用压电纤维板；所述传感用压电纤维板为环状，传感用压电纤维板用于感知压电振子的振动状态，进而感知压电振子的振动强度是否满足液体输送的强度。工作过程中，当压电振子的振动强度不足时液体将不能输送，液体无法填满输送管，整一个振动系统的等效质量m将降低，从而使系统的共振频率增大，将直接改变压电振子的振动状态，传感用压电纤维板的输出电压将产生变化，当传感模块感应到传感用压电纤维板的输出电压突破设定的阈值，控制系统将通过驱动模块改变压电振子的驱动电压和频率来提高振动强度，进而获得液体的输送。

本发明中，压电振子在周期性交变电压信号驱动下，产生左右弯曲变形，带动输送管左右振动，两个阀板在滑块带动下运动，两个阀板形成的流阻差改变（扩张口夹角θ转变），通过两个阀板形成的流阻差实现液体的输送。一种压电纤维驱动的液体泵分为初始状态、第一工作状态、第二工作状态，本实施例的具体工作过程，叙述如下：

初始状态：入口流道内部填充满液体，不施加电压信号，压电振子保持预定竖直状态，滑块在拉伸弹簧拉力作用下位于初始位置。

第一工作状态：压电振子施加电压增加到最高值（U），压电振子由左向右逐渐凸起并带动输送管向右运动，上下对称的滑块在惯性作用下相对于输送管向左运动，进而带动阀板沿径向向内运动，两个阀板构成的扩张口夹角变大为θ2，且θ2>θ1，其流阻系数为

。需要说明的是，施加的驱动电压为负值时，驱动电压与驱动用压电纤维薄板极化方向相反；当驱动电压为正值时，驱动电压与驱动用压电纤维板极化方向相同。

第二工作状态：压电振子施加电压从最高值（U）降低到最低值(-U)，压电振子带动输送管快速向左运动，上下对称的滑块在惯性作用下相对于输送管向右运动，进而带动阀板沿径向向外运动，两个阀板构成的扩张口夹角变小为θ3，且θ3<θ1，其流阻系数为

。

由于θ3<θ2，所以阀板改变了流体的流阻且

，在不同流阻作用下，两个对称阀板构成的扩张口对液体具有一个向右的力，阀板振动产生扩张口的流阻差值为

，在流阻差值

作用下，一个工作周期（包含第一工作状态和第二工作状态）内，液体在管道内存在一个向右的净位移。

压电振子施加交变电压信号，第一工作状态和第二工作状态交替转变，进而实现入口流道中液体的由左向右的连续泵送。当需要对液体泵清洗时，直接注入清洁液体，即可实现清洗。

本发明的特色及优势在于：1. 输出性能高，压电纤维具有大的位移输出，结合滑块惯性机构，这可将压电振子的位移进一步放大至阀板的运动，阀板大位移往复摆动实现液体驱动，液体泵可获得高性能输出；2.可泵送高粘度液体和含有活性组织的液体，阀板往复摆动但是不完全闭合，这可避免阀完全闭合时对液体内活性组织的损坏，同时通过大质量的滑块带动阀板大位移往复摆动实现液体泵送，因此可用于高粘度的液体泵送，避免了压电泵泵送高粘度液体时单向阀无法动作的弊端；3.结构简单、体积小、功耗低，通过压电纤维驱动，驱动输送管产生的位移大，可实现输送管内液体的输送，功耗低、结构简单、易集成；4、通过设置传感用压电纤维板，可以感应压电振子振动强度是否满足液体输送要求，并通过控制模块增强压电振子振动强度以实现液体输送，压电振子的驱动实现自我调整。

附图说明

图1是本发明一种较佳实施例初始状态的剖面示意图；

图2是本发明一种较佳实施例第一工作状态剖面示意图；

图3是本发明一种较佳实施例第二工作状态剖面示意图；

图4是图1中A区域的局部放大图；

图5是压电振子（3）及其控制方法的一种较佳实施例；

图标：1-左体；2-右体；3-压电振子；31-驱动用压电纤维板；32-金属基板；33-传感用压电纤维板；41-第一密封圈；42-第二密封圈；5-输送管；51-基体；52-第一柔性铰链；53-阀板；54-第二柔性铰链；55-连杆；56-第三柔性铰链；57-滑块；58-滑道；500-拉伸弹簧；61-入口通道；62-出口通道；63-中间通道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体化连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参阅图1、图2、图3、图4和图5，下面将结合附图对本发明实施的一种压电纤维驱动的液体泵作详细说明。

本发明实施例提供了一种压电纤维驱动的液体泵及其控制方法，包括：从左至右依次连接有左体1和右体2；所述左体1和右体2之间设置有压电振子3；所述压电振子3中心相连有输送管5；所述输送管5与左体1和右体2之间均为间隙滑动配合，并配套设置有第二密封圈42和第一密封圈41，这主要实现液体泵的密封；所述左体1内部设置有入口通道61，泵送液体从入口通道61流入；所述右体2内部设置有出口通道62，泵送液体从出口通道62流出；所述输送管5包括基体51和中间通道63；所述中间通道63位于输送管5内部；所述入口通道61、中间通道63、出口通道62从左至右依次连通。

进一步的，所述压电振子3由驱动用压电纤维板31和金属基板32同心粘接而成；所述驱动用压电纤维板31为环状，这可以增大压电振子3中心的输出位移。

进一步的，所述输送管5内部上下对称设置有两组惯性装置，所述惯性装置由依次相连的第一柔性铰链52、阀板53、第二柔性铰链54、连杆55、第三柔性铰链56、滑块57组成；所述第一柔性铰链52连接阀板53和基体51；所述输送管5内部设置有滑道58；所述滑块57固定在滑道58内且与输送管5滑动配合；所述滑块57为高密度金属材料加工而成，滑块57质量大于第一柔性铰链52、阀板53、第二柔性铰链54、连杆55、第三柔性铰链56质量之和；所述滑块57的质量为

，第一柔性铰链52、阀板53、第二柔性铰链54、连杆55、第三柔性铰链56质量之和为

，且

，这样可以保证滑块57的惯性足够带动阀板53动作。

进一步的，所述滑块57右部与基体51间连接有拉伸弹簧500，所述拉伸弹簧500的拉力用于滑块57的复位；所述滑块57为初始位置时，第三柔性铰链56位于第二柔性铰链54的左部，所述阀板53与连杆55之间的夹角为β，且30°<β<45°。

进一步的，如图1所示，对称的两个阀板53之间形成由入口通道61向出口通道63逐步扩大的扩张口，扩张口的夹角为θ1，且20°<θ1< 50°。

进一步的，所述压电振子3左表面同心粘结有传感用压电纤维板33；如图5所示，所述传感用压电纤维板33为环状，传感用压电纤维板33用于感知压电振子3的振动状态，进而实现感知压电振子3的振动强度是否满足液体输送的强度。工作过程中，当压电振子3的振动强度不足时液体将不能输送，液体无法填满输送管5，整一个振动系统的等效质量m将降低，从而使系统的共振频率增大，将直接改变压电振子3的振动状态，传感用压电纤维板33的输出电压将产生变化，当传感模块感应到传感用压电纤维板33的输出电压突破设定的阈值，控制系统将通过驱动模块改变压电振子3的驱动电压和频率来提高振动强度，进而获得液体的输送。

本发明中，压电振子3在周期性交变电压信号驱动下，产生左右弯曲变形，带动输送管5左右振动，两个阀板53在滑块57带动下运动，两个阀板53形成的流阻差改变（扩张口夹角θ转变），通过两个阀板53形成的流阻差实现液体的输送。一种压电纤维驱动的液体泵分为初始状态、第一工作状态、第二工作状态，本实施例的具体工作过程，叙述如下：

初始状态：如图1所示，入口流道61内部填充满液体，不施加电压信号，压电振子3保持预定竖直状态，滑块57位于初始状态，两个阀板53构成的扩张口夹角为θ1。

第一工作状态：如图2所示，压电振子3施加电压增加到最高值（U），压电振子3由左向右逐渐凸起并带动输送管5向右运动，上下对称的滑块57在惯性作用下相对于输送管5向左运动，进而带动阀板53沿径向向内摆动，两个阀板53构成的扩张口夹角变为θ2，且θ2>θ1，其流阻系数为

。需要说明的是，施加的驱动电压为负值时，驱动电压与驱动用压电纤维薄板31极化方向相反；当驱动电压为正值时，驱动电压与驱动用压电纤维板31极化方向相同。

第二工作状态：如图3所示，压电振子3施加电压从最高值（U）降低到最低值(-U)，压电振子3带动输送管5快速向左运动，上下对称的滑块57在惯性作用下相对于输送管5向右运动，进而带动阀板53沿径向向外运动，两个阀板53构成的扩张口夹角变为θ3，且θ3<θ1，其流阻系数为

。

由于θ3<θ2，所以阀板53改变了流体的流阻且

，在不同流阻作用下，两个对称阀板53构成的扩张口对液体具有一个向右的力，两个阀板53振动产生扩张口的流阻差值为

，在流阻差值

作用下，一个工作周期（包含第一工作状态和第二工作状态）内，液体在管道内存在一个向右的净位移。

压电振子3施加交变电压信号，第一工作状态和第二工作状态交替转变，进而实现入口流道61中液体的由左向右的连续泵送。当需要对液体泵清洗时，直接注入清洁液体，即可实现清洗。

Claims (3)

1.一种压电纤维驱动的液体泵，其特征在于：从左至右依次连接有左体和右体；所述左体和右体之间设置有压电振子；所述压电振子中心相连有输送管；所述输送管与左体和右体之间均为间隙滑动配合，并配套设置有第二密封圈和第一密封圈；所述左体内部设置有入口通道，泵送液体从入口通道流入；所述右体内部设置有出口通道，泵送液体从出口通道流出；所述输送管包括基体和中间通道；所述中间通道位于输送管内部；所述入口通道、中间通道、出口通道从左至右依次连通；所述压电振子由驱动用压电纤维板和金属基板同心粘接而成；所述驱动用压电纤维板为环状；所述输送管内部上下对称设置有两组惯性装置，所述惯性装置由依次相连的第一柔性铰链、阀板、第二柔性铰链、连杆、第三柔性铰链、滑块组成；所述第一柔性铰链连接阀板和基体；所述输送管内部设置有滑道；所述滑块固定在滑道内且与输送管滑动配合；所述滑块为高密度金属材料加工而成；所述滑块的质量为

，第一柔性铰链、阀板、第二柔性铰链、连杆、第三柔性铰链质量之和为

，且

；所述滑块右部与基体间连接有拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的拉力用于滑块的复位；所述滑块为初始位置时，第三柔性铰链位于第二柔性铰链的左部，所述阀板与连杆之间的夹角为β，且30°<β<45°；对称的所述阀板间形成由入口通道向出口通道逐步扩大的扩张口，扩张口的夹角为θ1，且20°<θ1< 50°。

2.根据权利1所述的压电纤维驱动的液体泵，其特征在于：所述压电振子表面同心粘结有传感用压电纤维板；所述传感用压电纤维板为环状，传感用压电纤维板用于感知压电振子的振动状态；工作过程中，当传感模块感应到传感用压电纤维板的输出电压突破设定的阈值，控制系统将通过驱动模块改变压电振子的驱动电压和频率来提高振动强度，进而获得液体的泵送。

3.一种控制方法，其特征在于，基于所述权利要求1至2任一项所述压电纤维驱动的液体泵，包括以下步骤：

第

步，压电振子施加电压增加到最高值，压电振子由左向右逐渐凸起并带动输送管向右运动，上下对称的滑块在惯性作用下相对于输送管向左运动，进而带动阀板沿径向向内摆动，两个阀板构成的扩张口夹角变为θ2，且θ2>θ1，其流阻系数为

；

第

步，压电振子施加电压从最高值降低到最低值，压电振子带动输送管快速向左运动，上下对称的滑块在惯性作用下相对于输送管向右运动，进而带动阀板沿径向向外摆动，两个阀板构成的扩张口夹角变为θ3，且θ3<θ1，其流阻系数为

；

第

步，压电振子施加交变的电压信号，第

步和第

步交替转变，在流阻差

作用下，入口流道中液体由左向右连续泵送。

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