脉动离心隔膜压电泵原理与试验

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1、中国科学技术大学硕士学位论文脉动离心隔膜压电泵原理与试验作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：邓知森机械电子工程冯志华教授二。一四年五月七日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationformaster’SdegreeTheoreticandExperimentalResearchonPulsedCentrifugalDiaphragmPiezoelectricPUmpAuthor’SName：ZhisenDengSpeciality：MechanicalandElectri

2、calEngineeringSupervisor：Prof．ZhihuaFengFinishedTime：May7m，2014中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：2雠中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家

3、有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。留公开口保密(——年)作者签名：签字日期：埠囊啦导师签名塑!兰：墨：兰签字日期：]型望：：墨：业摘要压电泵是一种新型流体驱动器，它具有结构紧凑、响应特性好、精确度高、耗能低、无噪声等优点，使得其在微型机电、医疗器械、化学分析、航空航天等领域有巨大的应用价值。然而，对于容积式压

4、电陶瓷泵，传统的单向阀在工作中存在严重的滞后性，使得它很难与压电陶瓷泵的壳面振动相匹配。在这种制约条件下，腔式压电陶瓷泵的效率并没有得到充分地发挥。相比于被动式单向阀，虽然使用压电驱动式主动阀对提高压电泵的工作频率有利，但其存在阀口开启位移较小或输出力较小而导致流量下降的问题，且需要的阀控制系统复杂，不易于集成化设计。利用MEMS技术制作的新型单向阀，具有优良的高频特性，但MEMS制作工艺复杂，成本较高，不利于推广。针对有阀压电容积泵中压电元件的高频特性和单向阀的低频特性不兼容问题，本文提出了脉动离心隔膜压电泵。它利用振动管内的液体在离

5、心力的作用下产生定向流动的特性来驱动泵腔中的隔膜产生形变，从而改变泵腔体积，借助单向阀实现液体的定向输送。压电陶瓷工作在较高的频率而单向阀工作在较低的频率，并且二者不产生冲突，能够协调一致。本文首先分析了脉动离心隔膜压电泵的工作原理，其次建立了压电泵驱动部分的动力学模型，得出了振动频率、模态振型、离心力和振幅极限的计算表达式。最后制作了原理样机，测量了压电泵的阻抗特性、脉冲特性、流量和压力等性能，验证理论分析的正确性。为了提高泵的效率，改善泵的性能，本文提出并搭建了快速起停电路，提高了泵的输出流量，并实现频率追踪。此外，基于脉动离心隔膜

6、压电泵的工作原理，本文提出了一种新型的压电驱动移液器，利用振动管的摆动产生的离心力作为驱动力，液体吸入时振动管工作在一阶弯曲振动频率。对单次移液体积随电压、驱动频率、移液枪头规格和不同试剂的变化做了测试。实验结果表明：压电泵原理样机可以保持并精确输出液体脉冲，驱动电压峰峰值为560Vpp，振动频率为183．74Hz，吸液周期0．4s，排液周期0．1s，背压0．3kPa时，去离子水输出流量为6．12mL／min。实验数据证明了脉动离心隔膜压电泵的有效性。使用快速起停电路脉动频率为4Hz时，去离子水输出流量为12．49mL／min，泵的性能

7、得以提升。压电移液器原理样机在电压560Vpp，频率175．9Hz时移液体积为43．2此，最大误差±3．5％，最小移液体积为3此。该移液器可以用在化学或生物实验的标准移液中。摘要关键词：压电泵脉动离心力隔膜单向阀移液器AbstractABSTRACTThepiezoelectricpumpsarenovelfluidactuators．Whichareminiaturestructure，fastresponse，highaccuracy,lowpowerconsumptionandlownoise．Thesefeaturesmakep

8、iezoelectricpumpsbeappliedtomicroelectro．mechanicaldevices，medicalinstrumentsandbiopharmaceuticals，chem