微型主被動閥結合式壓電泵的試驗研究

孫靜　魯海龍

摘 要：針對如何提高微型主動閥類壓電泵的輸出特性的問題，提出了主被動閥結合式壓電泵的研究方案，并設計制作了壓電泵，進行了試驗研究。試驗結果表明：主被動閥相結合式壓電泵最大輸出流量為520ml/min，最大輸出壓力25kPa。

關鍵詞：壓電泵；主動閥；試驗

1 引言

壓電泵是根據壓電材料的逆壓電效應，壓電振子在輸入電信號下產生變形，變形使壓電泵的腔體容積變化實現液體輸出或者利用振子產生波動來傳送液體，可實現重量輕、無噪聲、結構簡單、耗能低、無干擾、體積小等特性[1-4]，可利用施加頻率或電壓的大小控制輸出微流量等等，被廣泛應用在醫療/制藥、化學分析、生物工程、電子器件冷卻等方面[4-9]。

近年來人們研制出各種類型的壓電泵，這些壓電泵中被動閥壓電泵其主要原理是利用液體的流動推動閥的開啟，而主動閥壓電泵則是通過主動方式控制閥的開和關，根據主動閥壓電泵的特點，提出了主被動閥結合式的雙腔串聯壓電泵方案，以期提高壓電泵的輸出性能，改善壓電泵的工作能力。

2 結構與工作原理

主被動閥結合式的壓電泵的結構如圖1示，泵的進出口閥是主動閥，閥的開啟和關閉完全是由外界驅動信號根據泵腔體積變化情況的要求來控制的。因此，進、出口閥的開啟和關閉時間可以做到準確自如，這就控制了閥對于壓電振子的滯后性，消除了流體在流經閥口、開啟單向閥時的能量損失，有效地抑制了倒流現象。該泵是利用兩個腔體串聯，泵腔1的出口是泵腔2的入口，兩腔之間安裝一個傘形閥，即被動閥，將兩腔分開，理論上兩串聯腔體可以提高泵是輸出壓力和輸出流量。

雙腔串聯壓電泵在工作時，兩泵腔壓電振子的電極所加驅動電信號相位差為180o，以使壓電振子異步振動。該泵的一個工作循環可分為兩個階段：

（1）給進口壓電振子和出口壓電振子施加電信號，使進口閥打開，出口閥打開；改變泵腔的驅動電信號，使泵腔1壓電振子向上彎曲，液體從入口吸入腔體1中，泵腔2壓電振子向下彎曲，泵腔2中的液體從出口流出。其工作狀態如圖2所示。

2） 當改變主動閥的控制信號時，使進口閥關閉，出口閥關閉；給泵腔壓電振子施加電信號，使泵腔1振子向下彎曲，泵腔2振子向上彎曲，腔體1體積隨信號改變而減小使壓力增加，泵腔2體積反而增大使壓力降低，故液體從泵腔1排至泵腔2，泵腔1與泵腔2的共同作用增強了流體的單向流動，其工作狀態如圖3所示，這樣就完成了一個工作周期。

3 試驗研究

對主被動閥結合式的雙腔串聯泵的輸出特性進行試驗研究，主要測試泵的輸出流量和輸出壓力，在不同驅動電壓和工作頻率下泵的輸出特性。泵的輸出流量和輸出壓力受泵用圓形

雙晶片振子驅動信號及閥性能的影響。

3.1 泵用壓電振子驅動信號

文章所研究的主被動閥結合的雙腔串聯壓電泵的驅動信號為正弦波信號，即進出口閥和兩泵腔振子的驅動信號均為正弦波信號。原因是正弦波信號振子響應也是正弦信號，雖然有滯后現象，但泵中的各個振子均是由正弦波信號驅動，滯后現象可以忽略。依據對泵工作工程的分析，進出口閥同時開啟關閉，故用同樣的驅動信號，泵腔1吸水時泵腔2排水，故泵腔1和泵腔2的驅動信號相反。給出的壓電泵的驅動信號如圖4所示。

3.2 泵的輸出特性

文章采用定壓調頻的方法測試主被動閥結合式雙腔串聯壓電泵的輸出流量、輸出壓力。試驗過程中分別給壓電振子施加不同的驅動電壓，觀察泵的工作情況，測試了泵的輸出特性。

對該泵施加不同的驅動電壓，從泵的工作狀況得知泵的輸出特性和驅動電壓呈線性關系，驅動電壓越高，泵的輸出流量和輸出壓力均呈線性增加。但由于壓電振子有承載電壓的極限值，故不能無限的增大驅動電壓。文章所測試的結果驅動電壓均低于100V。

圖5是在壓電泵工作電壓在70V和90V時得到的頻率-流量特性曲線。從曲線走向看，變化規律基本相同。驅動頻率從60Hz開始流量快速地呈線性增加，頻率增加到100Hz時流量達到最大值，當頻率超過110Hz流量又開始下降，分析原因是因為驅動頻率越高時，壓電振子振動的幅值減小，閥口開啟小，腔體體積減小，故泵的流量隨之降低?？芍撾p腔串聯泵在工作頻率約為100Hz時輸出流量達到最大，驅動電壓90V時壓電泵最大泵水量可達到520ml/min，該頻率為其輸出流量的最佳工作頻率。

圖6是在壓電泵工作電壓在70V和90V時得到的頻率-壓力特性曲線。由圖可知，兩條曲線的走勢基本相同，雙腔串聯泵的輸出壓力-頻率曲線有波峰和波谷，初始測量的頻率為60Hz，壓力曲線處于波谷位置，說明此時壓電泵的輸出壓力最小。隨著驅動頻率的增加，輸出壓力隨之增大，當驅動頻率達到110Hz左右時，兩條曲線的輸出壓力基本都達到最大值，驅動電壓90V時最大輸出壓力可達到25kPa，這說明壓電泵的輸出壓力和流量具有相似的頻率特性，工作狀態都有最佳的工作頻率。不同的是，隨著頻率繼續增加，輸出壓力反而下降，曲線再次出現波谷，但此時輸出壓力并不是最小值。頻率再增加，壓力又繼續升高，當頻率達到約200Hz左右時候，壓力又達到最大值，說明雙腔串聯泵的壓力-頻率特性曲線至少有兩個最佳工作頻率。工作過程中可以通過改變驅動頻率的大小調整壓電泵的輸出壓力，為實際應用提供條件。

4 結束語

4.1 主被動閥結合式雙腔串聯壓電泵輸出壓力和輸出流量均隨驅動電壓的升高而增大，基本呈線性關系。

4.2 主被動閥結合的雙腔串聯壓電泵有最佳工作頻率點，在最佳輸出頻率點輸出流量和輸出壓力達到最大。最大輸出流量為520ml/min，最大輸出壓力為25kPa。

4.3 試驗所測得的結果對壓電泵的研究有指導意義，并為提高主動控制泵的輸出流量和輸出壓力提供了一種新的方法。

參考文獻endprint

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作者簡介：孫靜（1981-），女，講師，研究方向為微量泵的設計與研究。endprint

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