一种基于固液耦合的压电流体驱动泵性能测试分析方法

本发明涉及压电流体驱动泵领域，特别涉及一种基于固液耦合的压电流体驱动泵性能测试分析方法。

背景技术：

1、近些年来，由于微机电系统(mems)的广泛应用以及纳米技术的迅猛发展，微流量系统作为微机电系统的一个重要分支，也得到更好的发展和应用。微型泵作为微流量系统的核心驱动源，起着能量转换的关键作用，广泛应用于药品输送、燃料电池、微量化学分析等领域。压电流体驱动泵的工作原理可分为吸入行程和排出行程，如图2所示，其中，(a)为吸入行程：单晶片压电振子在正向交流电信号的刺激下，向上发生弯曲变形，泵腔内部体积增大，压强减小，液体同时由进液口和出液口被吸入泵腔；(b)为排出行程：单晶片压电振子在反向交流电信号的激励下，向下产生弯曲变形，此时，泵腔内部的体积逐渐降低至最低点，压强逐渐上升至最高，此时腔内的液体同时通过进液口和出液口被排出泵体。经过上述工作过程的连续工作，就形成了液体的定向流动。

2、目前，现有技术中的压电泵普遍具有流量较小，泵送能力较弱等共性技术问题，对于现有结构压电泵的改进多是基于有限元法构建压电泵的三维模型，从而对其结构参数进行优化设计改进，但现有方法缺少一定的理论分析基础，无法对现有压电泵的输出性能进行系统性的方案设计和输出性能检测，以至于不能有效解决上述中提及的现有压电泵的共性技术问题。为此，我们提出一种基于固液耦合的压电流体驱动泵性能测试分析方法。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种基于固液耦合的压电流体驱动泵性能测试分析方法，可以有效解决背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为，

3、一种基于固液耦合的压电流体驱动泵性能测试分析方法，包括：

4、分析压电振子的振动特性和输出特性，构建系统中流场、应力场和电场相互耦合的数学模型，分析影响其振动特性和流量输出特性的主要因素；

5、获得机电液系统的主要因素对压电流体驱动泵性能的影响规律以及合理的系统参数匹配关系，利用多目标优化和粒子群算法建立数学模型，并用层次分析法根据各因素对评价因素重要程度不同进行全局多层并行的优化选择，提取制约压电流体驱动泵输出性能的关键结构参数；其中，所述输出性能包括输出流量和输出压力；

6、所述压电流体驱动泵的组成部分包括进液口、出液口和泵体，其中，所述泵体的内部泵腔设置有具有所述关键结构参数的圆顶复合结构，所述圆顶复合结构包括：

7、于正对进液口的泵腔处设置的圆顶结构；

8、所述圆顶结构用于减小液体介质正向撞击时产生损失的压强，当液体由进液口进入泵腔，并撞击圆顶结构的锋面时，液体介质会形成分流状态，随后紧贴着圆顶结构的表面进行流动；

9、于所述圆顶结构的后方连接的梯形结构；

10、所述梯形结构的两侧形成两个逐渐收缩的流道，液体流经收缩流道时产生的流速逐渐增加，促使更多的液体介质流经流道，当液体介质反向由出液口流入泵腔并撞击至梯形的后端竖面时，将会产生更多的压强损失，导致了回流量的大大减小；

11、于泵腔的尾端设置的圆角导流结构；

12、圆角导流结构能够为液体介质流出泵体提供更好的流动路线；

13、当液体介质由进液口进入泵腔并撞击圆顶结构的顶角时，在圆顶结构的两侧形成双列漩涡，从而改变液体的流动方向，使其顺着梯形结构两侧的流道逐渐流至尾端圆角导流结构，然后被引流至出液口流出泵体。

14、所述关键结构参数包括：

15、圆顶结构的半径；

16、梯形结构的单侧角度；

17、圆角导流结构的圆角半径。

18、所述梯形结构在尾端设置有高度不同的两阶阶梯，其中：

19、所述阶梯用于缓解回流，当回流的液体介质撞击阶梯能够损失大量的压强，并减少回流量；

20、所述阶梯还用于提高输出流量，当进液口流入泵体的液体介质流经梯形两侧流道时，通过两阶阶梯之间的缝隙流出泵体；

21、利用流体力学仿真工具，构建压电流体驱动泵的三维模型，获取其泵腔内部液体介质的具体流动状况和压强损失情况，分析所述关键结构参数以及流体间的非线性耦合规律，寻求压电流体驱动泵系统结构及参数间的最优匹配关系，建立压电流体驱动泵的系统性理论模型；

22、构建输出性能的测试平台，利用控制变量法与所述测试平台上进行实验测试，根据实验测试数据获取在驱动电压和驱动频率下，各所述关键结构参数与输出性能的影响关系；

23、其中，所述测试平台包括：交流电源模块、输出流量获取模块、输出压力获取模块、正弦式信号发生模块、固定模块、待测压电流体驱动泵；

24、所述待测压电流体驱动泵通过所述固定模块进行固定；

25、所述正弦式信号发生模块输出正弦式驱动信号作用于所述待测压电流体驱动泵；

26、所述输出流量获取模块和所述输出压力获取模块分别用于获取测试过程中，待测压电流体驱动泵液体介质的输出流量参数和输出压力参数；

27、所述交流电源模块用于为测试过程提供所需电能。

28、其中，压电流体驱动泵的理论主要包括体积变化量建模及泵腔内部流动状况分析理论和泵输出流量分析理论，单晶片压电振子在正弦式交流电信号的激励下产生周期性上下往复振动，其半个周期的运动产生的体积变化量类似球体的顶端体积量，可以建立如图3所示球体模型；

29、球体的体积公式可用下面方程表示：

30、x2+y2+z2＝r2 (1-1)

31、利用积分可以得到压电振子最大变形时产生的体积量：

32、

33、由图2压电振子的振动体积模型可知，在z轴方向上有：

34、c+d＝r (1-3)

35、在△acr内部则有：

36、a2+c2＝r2 (1-4)

37、联立方程(1-1～1-4)可得：

38、

39、其中：δv是压电振子在电信号激励下产生的最大体积变化量；a是压电陶瓷的半径；d是压电陶瓷在最高体积变形量时产生的中心最高高度。

40、当压电振子发生振动时，泵腔内部的体积发生周期性变化，其泵腔内部的压强发生改变，由于振动引起的压强变化可以视为标准大气压强变化，根据标准大气压强方程可得：

41、pv＝nrt (1-6)

42、

43、联立方程(1-6～1-8)可以得到泵腔内部的压强最大变化量为：

44、

45、式中：p1代表的是标准大气压强；v1为压电振子处于平衡状态时泵腔内部的体积量；p2为压电振子在电信号的激励下向上变形至最大位移时泵腔内部产生的压强变化。

46、压电振子变形引起泵腔内部的压强变化在理论上可以转化为液体自身的压强。根据v.singhal等的理论可以得到：

47、

48、液体在泵腔内部的压强损失可以分为正向压强损失和反向压强损失，泵腔内部液体正向压强损失可以表示为：

49、δpi＝pi1+pi2+pi3 (1-11)

50、泵腔内部液体反向压强损失为：

51、δpo＝po1+po2 (1-12)

52、

53、式中：ki为压强损失系数；v2为液体进入泵腔内部时产生的流速；pi1是液体由进液口进入泵腔撞击圆顶结构产生的压强损失；pi2是液体流经梯形两侧的收缩流道过程中产生的压强损失；pi3是液体流经尾端圆角结构产生的压强损失。po1是液体由出液口流入泵腔撞击至阶梯垂直竖面产生的压强损失；po2是液体反向流经收缩管产生的压强损失。液体进入泵腔内部产生的压强损失可通过公式(1-13)得到。

54、液体撞击圆顶结构时产生压强损失和圆顶结构顶端半角之间的关系为类似开口向下的抛物线，利用方程可以表示为：

55、k1＝-k1α2(0°＜α＜90°) (1-14)

56、由三角关系可得：

57、

58、式中：l是圆顶顶端至梯形前端面的垂直长度；r是圆顶底面的半径；ρ是工作液体的密度。

59、泵腔内部的液体通过收缩流道产生的压强损失系数与梯形的单侧角度近似呈现开口向下的抛物线状，建立方程为：

60、k2＝-k2α12(0°＜α1＜90°) (1-17)

61、当液体经过圆角导流结构时产生的压强损失系数和圆角导流结构的半径的关系近似为线性关系，用方程表示为：

62、k3＝k3c (1-18)

63、式中：k1、k2、k3为常数，α1为梯形的单侧角度；c为圆角导流结构的半径尺寸。

64、通过上面公式的推导可以得到圆顶复合结构各个元素部位的压强损失，可以得到压电泵效率的公式，可以表示为：

65、

66、根据效率公式可以得到压电泵的输出流量：

67、q＝fδvη (1-20)

68、式中：η是压电泵的效率；f是压电泵的驱动频率。

69、联立公式可以得到压电泵的输出流量：

70、

71、本发明具有如下有益效果，

72、与现有技术相比，本发明技术方案通过分析压电振子的振动特性和输出特性，来构建系统中流场、应力场和电场相互耦合的数学模型，分析影响其振动特性和流量输出特性的主要因素。从理论上获得机电液系统要素对新型压电流体驱动泵性能的影响规律以及合理的系统参数匹配关系；采用多目标优化和粒子群算法建立数学模型，并用层次分析法根据各因素对评价因素重要程度不同进行全局多层并行的优化选择，提取制约泵送能力的关键要素；

73、与现有技术相比，本发明技术方案通过利用流体力学仿真工具，了解压电流体驱动泵泵腔内部液体的具体流动状况和压强损失情况，来分析压电流体驱动泵的关键结构参数以及流体间的非线性耦合规律，寻求压电流体驱动泵系统结构及参数间的最优匹配关系，从而建立压电流体驱动泵的系统性理论模型；

74、与现有技术相比，本发明技术方案通过利用控制变量法，验证结构和仿真分析的可靠性，设计了圆顶复合结构无阀压电泵输出性能的实验测试平台，并实现了平台的搭建，制作不同结构参数的样机并进行试验测试，测试了不同圆顶结构、不同梯形单侧角度和不同圆角导流结构参数下的泵输出流量和输出压强，并分析了各个参数对输出性能的影响关系；

75、与现有技术相比，本发明技术方案通过提出一种泵腔内部设置圆顶复合结构的压电流体驱动泵，在正对进液口的泵腔处设置圆顶结构，以减小液体正向撞击时产生损失的压强，当液体由进液口进入泵腔，并撞击圆顶结构的锋面时，液体会形成分流状态，随后紧贴着圆顶结构的表面进行流动；圆顶结构的后方连接着一个梯形结构，梯形结构的两侧形成两个逐渐收缩的流道，液体流经收缩流道时产生的流速逐渐增加，促使更多的液体流经流道，当液体反向由出液口流入泵腔并撞击至梯形的后端竖面时，将会产生更多的压强损失，导致了回流量的大大减小；泵腔的尾端设置圆角导流结构可以为液体流出泵体提供更好的流动路线，能够有效解决现有技术中的压电泵普遍具有流量较小，泵送能力较弱等共性技术问题。