一种具有谐振频率可调的压电复合梁驱动的压电泵

技术领域

本发明属于压电泵技术领域，具体涉及一种具有谐振频率可调的压电复合梁驱动的压电泵。

背景技术

压电泵是一种以压电振子作为动力元件的新型流体传输装置，是精密流体泵中最典型的一种，它利用压电元件的逆压电效应将电能转化为机械能，使压电振子产生变形，从而驱动泵腔容积变化，或者利用压电振子产生波动来驱动流体定向流动。压电泵将驱动器、泵腔和单向阀集成在一起，不仅克服了传统泵中相对运动部件间的泄漏和摩擦磨损，而且还减少了不同部件之间的能量损失。由于压电泵具有传统泵所不具备的显著优点，如结构简单、体积小、可靠性好、功率密度高、效率高、响应速度快、控制精度高、无电磁干扰等，因此尽管它出现的时间并不长，但在航空航天、机器人系统、汽车、微机电工程、化学分析、生物医疗等领域都显示出广阔的应用前景。

根据工作模式不同，压电泵可分为非谐振式压电泵和谐振式压电泵。在非谐振式压电泵中，压电振子一般安装在泵腔侧壁，直接驱动流体工作；由于压电振子工作在准静态，并且四周固定安装，因而无法产生较大的振动变形以获得较大的泵腔体积变化，所以非谐振式压电泵的输出性能相对有限。谐振式压电泵通常将压电振子与泵腔隔膜分离，利用谐振原理放大振子的振动位移，进而驱动泵腔隔膜实现流体传输。

谐振式压电泵的最佳工作频率一般是压电驱动器的谐振频率，一方面，由于压电元件的功率密度与其工作频率成正比，因此应该提高压电驱动器的工作频率；另一方面，由于传统单向阀的动态响应特性较差，和压电驱动器配合工作时存在严重的滞后性，这又阻碍了压电泵工作频率的提高。

传统单向阀，如悬臂梁阀和桥式阀等，其最佳工作频率可以认为是它们的一阶弯曲谐振频率。为了使谐振式压电泵达到最佳工作状态，应使压电驱动器的谐振频率尽可能接近单向阀的谐振频率。但是压电驱动器和单向阀的谐振频率与它们的结构、尺寸、材料等参数有关，并且受工作状态和工作介质影响，无法灵活调整，两者的谐振频率很难保持一致，从而导致压电泵在压电驱动器的谐振频率工作时，无法达到最佳工作状态，限制了压电泵输出性能的提高。

发明内容

为了解决谐振式压电泵中由于压电驱动器和单向阀的谐振频率不一致而造成的压电驱动器和单向阀无法同时工作在最佳工作频率的问题，本发明提供一种具有谐振频率可调的压电复合梁驱动的压电泵。

一种具有谐振频率可调的压电复合梁驱动的压电泵包括驱动机构和隔膜泵7。

所述驱动机构包括谐振频率可调的压电复合梁机构1，压电复合梁机构1包括弹性直梁2、两对压电片3和一对质量块5；

一对压电片3设于弹性直梁2中心一侧的上下表面，形成第一压电双晶片；另一对压电片3设于弹性直梁2中心另一侧的上下表面，形成第二压电双晶片；第一压电双晶片和第二压电双晶片呈对称状态位于弹性直梁2上；所有压电片3通过导线6串联或并联连接；两对压电片3沿弹性直梁2的厚度方向极化；所述一对质量块5分别对称设于弹性直梁2的两端；

两对压电片3之间的弹性直梁2上开设有安装孔4，通过安装孔4使得驱动机构与隔膜泵7的连接器8连接；

当激励电压为正时，电场强度方向与弹性直梁2上方的两个压电片的极化方向相同，与弹性直梁2下方的两个压电片的极化方向相反；因此，隔膜泵7处于排出流体过程；

当激励电压为负时，电场强度方向与弹性直梁2上方的两个压电片的极化方向相反，与弹性直梁2下方的两个压电片的极化方向相同；因此，隔膜泵7处于吸入流体过程；

当激励频率接近所述压电复合梁机构1的一阶弯曲谐振频率时，所述压电复合梁机构1将在一阶弯曲谐振模态产生大幅度的周期振动，从而驱动与所述弹性直梁2连接的隔膜泵7在同一谐振频率连续泵送流体。

进一步地具体技术方案如下：

所述弹性直梁2材料为金属材料，除压电片3外的弹性直梁2表面涂覆有绝缘漆。

所述弹性直梁2的宽度为5～100mm、厚度为0.1～1mm、长度为10～300mm。

所述质量块5材料为金属，质量块5的宽度与所述弹性直梁2的宽度相同，长度为2～100mm，高度为2～100mm。

所述压电片3采用环氧树脂胶或AB胶或快干胶粘接在所述弹性直梁2的表面。

每块压电片3通过导线6连接着驱动电源U1。

所述压电片3材料为压电陶瓷或压电单晶；压电片3的宽度与所述弹性直梁2相同，厚度为0.01～1mm，长度为1～50mm。

所述隔膜泵7为层叠式隔膜泵。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

（1）本发明采用的压电复合梁机构的一阶弯曲谐振频率可通过调节两端对称安装的质量块的大小进行大范围的调节，通过有限元仿真软件进行仿真，结果表明其一阶谐振频率的可以在332～1953Hz内实现大范围调节，通过调节与所使用的单向阀的谐振频率相匹配，使隔膜泵在该谐振频率工作时，压电复合梁和单向阀都达到最佳工作状态，从而使压电泵达到最佳工作性能。

（2）本发明采用可拆卸式结构设计，具有可循环利用的谐振频率可调的压电复合梁机构和可替换的隔膜泵，易于更换损坏部件，降低使用成本，所提出的谐振频率可调的压电复合梁机构作为驱动装置，结构简单、体积小、易于加工。

（3）本发明采用的压电复合梁机构的工作模态为一阶弯曲谐振模态，该谐振模态具有压电片表面应变分布均匀、机械品质因子高的特点，因而其振动变形大、驱动性能高、工作可靠性好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是压电复合梁机构安装有质量块时的爆炸图。

图3是压电复合梁机构安装有较小质量块时的结构示意图。

图4是压电复合梁机构安装有较大质量块时的结构示意图。

图5是压电复合梁机构的表面压电片设置为串联压电双晶片时，各压电片的极化方向设置及驱动电源的连接方式示意图。

图6是压电复合梁机构的表面压电片设置为并联压电双晶片时，各压电片的极化方向设置及驱动电源的连接方式示意图。

图7是当驱动电源的激励电压为正时，压电复合梁机构的变形方式及隔膜泵的工作状态示意图。

图8是当驱动电源的激励电压为负时，压电复合梁机构的变形方式及隔膜泵的工作状态示意图。

图9是当安装不同大小的质量块时，采用有限元分析软件仿真得到的压电复合梁的一阶弯曲谐振频率变化曲线。

上图中序号：压电复合梁1、弹性直梁2、压电片3、安装孔4、质量块5、导线6、隔膜泵7、连接器8、泵腔隔膜9、泵腔10、进口单向阀11、出口单向阀12、进口流道13、出口流道14、振动滤波器薄膜15、振动滤波器板16、第一压电片31、第二压电片32、第三压电片33、第四压电片34、第一压电双晶片301、第二压电双晶片302、驱动电源U1。

具体实施方式

下面将结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

参见图1，一种具有谐振频率可调的压电复合梁驱动的压电泵包括驱动机构和隔膜泵7，隔膜泵7为层叠式隔膜泵。

参见图2，驱动机构包括谐振频率可调的压电复合梁机构1，压电复合梁机构1包括弹性直梁2、两对压电片3和一对质量块5。

弹性直梁2材料为金属材料，除压电片3外的弹性直梁2表面涂覆有绝缘漆。弹性直梁2的宽度为15mm、厚度为0.5mm、长度为40mm。

一对压电片3通过环氧树脂胶固定粘贴于弹性直梁2中心一侧的上下表面，形成第一压电双晶片；另一对压电片3通过环氧树脂胶固定粘贴于弹性直梁2中心另一侧的上下表面，形成第二压电双晶片；第一压电双晶片和第二压电双晶片呈对称状态位于弹性直梁2上。压电片3材料为压电陶瓷；压电片3的宽度与述弹性直梁2相同，厚度为0.2mm、长度为7mm。

一对质量块5分别通过螺栓对称固定安装于弹性直梁2的两端；质量块5材料为金属，质量块5的宽度与弹性直梁2的宽度相同，长度为10mm、高度为5mm。

参见图5和图6，两对压电片3通过导线6串联或并联连接，两对压电片3沿弹性直梁2的厚度方向极化。

参见图2，两对压电片3之间的弹性直梁2上开设有安装孔4，通过安装孔4驱动机构与在隔膜泵7的连接器8连接。

一对质量块5的大小对压电复合梁机构的一阶谐振频率有很大的影响，所以我们可以通过改变质量块5在厚度方向的大小来调节压电复合梁机构的一阶谐振频率，当质量块5的厚度较小时，如图3所示，质量块5的厚度为3mm，此时压电复合梁机构的谐振频率约为1068Hz；随着质量块5厚度的增加，压电复合梁机构的一阶谐振频率会随之减小，当增加到14mm时，如图4所示，此时压电复合梁的一节谐振频率约为332Hz。因此我们可以通过调节一对质量块的大小来实现压电复合梁机构一阶谐振频率的大范围调节，以此来匹配不同谐振频率的单向阀，提高压电泵的输出性能。

本发明的工作原理详细叙述如下：

参见图5和图6，当第一压电双晶片301、第二压电双晶片302的极化方向和连接方式设置为串联或并联时，所有压电双晶片可由一路交流驱动电源U1激励产生弯曲变形，并且所述各个压电双晶片的弯曲变形方式与压电复合梁机构1的一阶弯曲谐振模态的变形方式一致。

所述压电复合梁机构1的弯曲振动变形可以通过连接器8传递至泵腔隔膜9，使泵腔隔膜9产生弹性振动变形，进而使泵腔10的密封体积周期性变化；当压电复合梁机构1拉动连接器8使泵腔隔膜9向泵腔10外部变形时，泵腔10的密封体积变大、压强变小，在内外压差的作用下，进口单向阀11开启，出口单向阀12关闭，流体从进口流道13通过进口单向阀11流入泵腔10，即吸入流体过程，如图7所示；当压电复合梁机构1推动连接器8使泵腔隔膜9向泵腔10内部变形时，泵腔10的密封体积变小、压强变大，在内外压差的作用下，进口单向阀11关闭，出口单向阀12开启，流体从泵腔10通过出口单向阀12流出出口流道14，即排出流体过程，如图8所示。

参见图7，当驱动电源U1的激励电压为正时，所产生的电场强度方向沿压电片3的厚度方向，并且电场强度方向与第一压电片31、第二压电片32的极化方向相同，与第三压电片33、第四压电片34的极化方向相反；因此，弹性直梁2中部向下弯曲，此时隔膜泵7处于排出流体过程。

参见图8，当驱动电源U1的激励电压为负时，所产生的电场强度方向沿压电片4的厚度方向，并且电场强度方向与第一压电片31、第二压电片32的极化方向相反，与第三压电片33、第四压电片34的极化方向相同；因此，弹性直梁2中部向上弯曲，此时隔膜泵7处于吸入流体过程。

当所述交流驱动电源U1的激励频率接近所述压电复合梁机构1的一阶弯曲谐振频率时，所述压电复合梁机构1将在一阶弯曲谐振模态产生大幅度的周期振动，从而驱动与所述弹性直梁2连接的单个隔膜泵7在同一谐振频率连续泵送流体。

所述驱动电源U1的驱动波形为交流正弦波、三角波或方波，驱动频率为所述压电复合梁机构1的一阶弯曲谐振频率，或在该谐振频率附近一定范围内调整；所述压电复合梁1机构的一阶弯曲谐振频率受被驱动负载（包括所述连接器8、泵腔隔膜9、被泵送流体等）的影响会有所变动，可以增加可自动追踪谐振频率的振荡电路进行闭环控制。

参见图9，所述压电复合梁机构1的一阶弯曲谐振频率，可以通过调节所述质量块5的大小，实现大范围调节，在实际使用中，可以通过调节所述质量块5的厚度方向上的大小，使所述压电复合梁机构1的谐振频率与隔膜泵中所使用的单向阀的谐振频率一致，使隔膜泵在该谐振频率工作时，所述压电复合梁机构1和单向阀都达到最佳工作状态，从而使整个压电泵的工作性能最佳；由于所述压电复合梁机构1的谐振频率调节范围大，因此该压电复合梁机构可以匹配不同类型的单向阀的工作频率，适应性强。