本發(fā)明涉及壓電流體驅(qū)動(dòng)泵領(lǐng)域，特別涉及一種基于固液耦合的壓電流體驅(qū)動(dòng)泵性能測(cè)試分析方法。

背景技術(shù)：

1、近些年來(lái)，由于微機(jī)電系統(tǒng)(mems)的廣泛應(yīng)用以及納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，微流量系統(tǒng)作為微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，也得到更好的發(fā)展和應(yīng)用。微型泵作為微流量系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)源，起著能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵作用，廣泛應(yīng)用于藥品輸送、燃料電池、微量化學(xué)分析等領(lǐng)域。壓電流體驅(qū)動(dòng)泵的工作原理可分為吸入行程和排出行程，如圖2所示，其中，(a)為吸入行程：?jiǎn)尉瑝弘娬褡釉谡蚪涣麟娦盘?hào)的刺激下，向上發(fā)生彎曲變形，泵腔內(nèi)部體積增大，壓強(qiáng)減小，液體同時(shí)由進(jìn)液口和出液口被吸入泵腔；(b)為排出行程：?jiǎn)尉瑝弘娬褡釉诜聪蚪涣麟娦盘?hào)的激勵(lì)下，向下產(chǎn)生彎曲變形，此時(shí)，泵腔內(nèi)部的體積逐漸降低至最低點(diǎn)，壓強(qiáng)逐漸上升至最高，此時(shí)腔內(nèi)的液體同時(shí)通過進(jìn)液口和出液口被排出泵體。經(jīng)過上述工作過程的連續(xù)工作，就形成了液體的定向流動(dòng)。

2、目前，現(xiàn)有技術(shù)中的壓電泵普遍具有流量較小，泵送能力較弱等共性技術(shù)問題，對(duì)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)壓電泵的改進(jìn)多是基于有限元法構(gòu)建壓電泵的三維模型，從而對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，但現(xiàn)有方法缺少一定的理論分析基礎(chǔ)，無(wú)法對(duì)現(xiàn)有壓電泵的輸出性能進(jìn)行系統(tǒng)性的方案設(shè)計(jì)和輸出性能檢測(cè)，以至于不能有效解決上述中提及的現(xiàn)有壓電泵的共性技術(shù)問題。為此，我們提出一種基于固液耦合的壓電流體驅(qū)動(dòng)泵性能測(cè)試分析方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于固液耦合的壓電流體驅(qū)動(dòng)泵性能測(cè)試分析方法，可以有效解決背景技術(shù)中的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為，

3、一種基于固液耦合的壓電流體驅(qū)動(dòng)泵性能測(cè)試分析方法，包括：

4、分析壓電振子的振動(dòng)特性和輸出特性，構(gòu)建系統(tǒng)中流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和電場(chǎng)相互耦合的數(shù)學(xué)模型，分析影響其振動(dòng)特性和流量輸出特性的主要因素；

5、獲得機(jī)電液系統(tǒng)的主要因素對(duì)壓電流體驅(qū)動(dòng)泵性能的影響規(guī)律以及合理的系統(tǒng)參數(shù)匹配關(guān)系，利用多目標(biāo)優(yōu)化和粒子群算法建立數(shù)學(xué)模型，并用層次分析法根據(jù)各因素對(duì)評(píng)價(jià)因素重要程度不同進(jìn)行全局多層并行的優(yōu)化選擇，提取制約壓電流體驅(qū)動(dòng)泵輸出性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)；其中，所述輸出性能包括輸出流量和輸出壓力；

6、所述壓電流體驅(qū)動(dòng)泵的組成部分包括進(jìn)液口、出液口和泵體，其中，所述泵體的內(nèi)部泵腔設(shè)置有具有所述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的圓頂復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述圓頂復(fù)合結(jié)構(gòu)包括：

7、于正對(duì)進(jìn)液口的泵腔處設(shè)置的圓頂結(jié)構(gòu)；

8、所述圓頂結(jié)構(gòu)用于減小液體介質(zhì)正向撞擊時(shí)產(chǎn)生損失的壓強(qiáng)，當(dāng)液體由進(jìn)液口進(jìn)入泵腔，并撞擊圓頂結(jié)構(gòu)的鋒面時(shí)，液體介質(zhì)會(huì)形成分流狀態(tài)，隨后緊貼著圓頂結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行流動(dòng)；

9、于所述圓頂結(jié)構(gòu)的后方連接的梯形結(jié)構(gòu)；

10、所述梯形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成兩個(gè)逐漸收縮的流道，液體流經(jīng)收縮流道時(shí)產(chǎn)生的流速逐漸增加，促使更多的液體介質(zhì)流經(jīng)流道，當(dāng)液體介質(zhì)反向由出液口流入泵腔并撞擊至梯形的后端豎面時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生更多的壓強(qiáng)損失，導(dǎo)致了回流量的大大減??；

11、于泵腔的尾端設(shè)置的圓角導(dǎo)流結(jié)構(gòu)；

12、圓角導(dǎo)流結(jié)構(gòu)能夠?yàn)橐后w介質(zhì)流出泵體提供更好的流動(dòng)路線；

13、當(dāng)液體介質(zhì)由進(jìn)液口進(jìn)入泵腔并撞擊圓頂結(jié)構(gòu)的頂角時(shí)，在圓頂結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成雙列漩渦，從而改變液體的流動(dòng)方向，使其順著梯形結(jié)構(gòu)兩側(cè)的流道逐漸流至尾端圓角導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，然后被引流至出液口流出泵體。

14、所述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：

15、圓頂結(jié)構(gòu)的半徑；

16、梯形結(jié)構(gòu)的單側(cè)角度；

17、圓角導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的圓角半徑。

18、所述梯形結(jié)構(gòu)在尾端設(shè)置有高度不同的兩階階梯，其中：

19、所述階梯用于緩解回流，當(dāng)回流的液體介質(zhì)撞擊階梯能夠損失大量的壓強(qiáng)，并減少回流量；

20、所述階梯還用于提高輸出流量，當(dāng)進(jìn)液口流入泵體的液體介質(zhì)流經(jīng)梯形兩側(cè)流道時(shí)，通過兩階階梯之間的縫隙流出泵體；

21、利用流體力學(xué)仿真工具，構(gòu)建壓電流體驅(qū)動(dòng)泵的三維模型，獲取其泵腔內(nèi)部液體介質(zhì)的具體流動(dòng)狀況和壓強(qiáng)損失情況，分析所述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)以及流體間的非線性耦合規(guī)律，尋求壓電流體驅(qū)動(dòng)泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)間的最優(yōu)匹配關(guān)系，建立壓電流體驅(qū)動(dòng)泵的系統(tǒng)性理論模型；

22、構(gòu)建輸出性能的測(cè)試平臺(tái)，利用控制變量法與所述測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)獲取在驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率下，各所述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與輸出性能的影響關(guān)系；

23、其中，所述測(cè)試平臺(tái)包括：交流電源模塊、輸出流量獲取模塊、輸出壓力獲取模塊、正弦式信號(hào)發(fā)生模塊、固定模塊、待測(cè)壓電流體驅(qū)動(dòng)泵；

24、所述待測(cè)壓電流體驅(qū)動(dòng)泵通過所述固定模塊進(jìn)行固定；

25、所述正弦式信號(hào)發(fā)生模塊輸出正弦式驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用于所述待測(cè)壓電流體驅(qū)動(dòng)泵；

26、所述輸出流量獲取模塊和所述輸出壓力獲取模塊分別用于獲取測(cè)試過程中，待測(cè)壓電流體驅(qū)動(dòng)泵液體介質(zhì)的輸出流量參數(shù)和輸出壓力參數(shù)；

27、所述交流電源模塊用于為測(cè)試過程提供所需電能。

28、其中，壓電流體驅(qū)動(dòng)泵的理論主要包括體積變化量建模及泵腔內(nèi)部流動(dòng)狀況分析理論和泵輸出流量分析理論，單晶片壓電振子在正弦式交流電信號(hào)的激勵(lì)下產(chǎn)生周期性上下往復(fù)振動(dòng)，其半個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的體積變化量類似球體的頂端體積量，可以建立如圖3所示球體模型；

29、球體的體積公式可用下面方程表示：

30、x2+y2+z2＝r2?(1-1)

31、利用積分可以得到壓電振子最大變形時(shí)產(chǎn)生的體積量：

32、

33、由圖2壓電振子的振動(dòng)體積模型可知，在z軸方向上有：

34、c+d＝r?(1-3)

35、在△acr內(nèi)部則有：

36、a2+c2＝r2?(1-4)

37、聯(lián)立方程(1-1～1-4)可得：

38、

39、其中：δv是壓電振子在電信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生的最大體積變化量；a是壓電陶瓷的半徑；d是壓電陶瓷在最高體積變形量時(shí)產(chǎn)生的中心最高高度。

40、當(dāng)壓電振子發(fā)生振動(dòng)時(shí)，泵腔內(nèi)部的體積發(fā)生周期性變化，其泵腔內(nèi)部的壓強(qiáng)發(fā)生改變，由于振動(dòng)引起的壓強(qiáng)變化可以視為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)變化，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)方程可得：

41、pv＝nrt?(1-6)

42、

43、聯(lián)立方程(1-6～1-8)可以得到泵腔內(nèi)部的壓強(qiáng)最大變化量為：

44、

45、式中：p1代表的是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)；v1為壓電振子處于平衡狀態(tài)時(shí)泵腔內(nèi)部的體積量；p2為壓電振子在電信號(hào)的激勵(lì)下向上變形至最大位移時(shí)泵腔內(nèi)部產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化。

46、壓電振子變形引起泵腔內(nèi)部的壓強(qiáng)變化在理論上可以轉(zhuǎn)化為液體自身的壓強(qiáng)。根據(jù)v.singhal等的理論可以得到：

47、

48、液體在泵腔內(nèi)部的壓強(qiáng)損失可以分為正向壓強(qiáng)損失和反向壓強(qiáng)損失，泵腔內(nèi)部液體正向壓強(qiáng)損失可以表示為：

49、δpi＝pi1+pi2+pi3?(1-11)

50、泵腔內(nèi)部液體反向壓強(qiáng)損失為：

51、δpo＝po1+po2?(1-12)

52、

53、式中：ki為壓強(qiáng)損失系數(shù)；v2為液體進(jìn)入泵腔內(nèi)部時(shí)產(chǎn)生的流速；pi1是液體由進(jìn)液口進(jìn)入泵腔撞擊圓頂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失；pi2是液體流經(jīng)梯形兩側(cè)的收縮流道過程中產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失；pi3是液體流經(jīng)尾端圓角結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失。po1是液體由出液口流入泵腔撞擊至階梯垂直豎面產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失；po2是液體反向流經(jīng)收縮管產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失。液體進(jìn)入泵腔內(nèi)部產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失可通過公式(1-13)得到。

54、液體撞擊圓頂結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生壓強(qiáng)損失和圓頂結(jié)構(gòu)頂端半角之間的關(guān)系為類似開口向下的拋物線，利用方程可以表示為：

55、k1＝-k1α2(0°＜α＜90°)?(1-14)

56、由三角關(guān)系可得：

57、

58、式中：l是圓頂頂端至梯形前端面的垂直長(zhǎng)度；r是圓頂?shù)酌娴陌霃?；ρ是工作液體的密度。

59、泵腔內(nèi)部的液體通過收縮流道產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失系數(shù)與梯形的單側(cè)角度近似呈現(xiàn)開口向下的拋物線狀，建立方程為：

60、k2＝-k2α12(0°＜α1＜90°)?(1-17)

61、當(dāng)液體經(jīng)過圓角導(dǎo)流結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失系數(shù)和圓角導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的半徑的關(guān)系近似為線性關(guān)系，用方程表示為：

62、k3＝k3c?(1-18)

63、式中：k1、k2、k3為常數(shù)，α1為梯形的單側(cè)角度；c為圓角導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的半徑尺寸。

64、通過上面公式的推導(dǎo)可以得到圓頂復(fù)合結(jié)構(gòu)各個(gè)元素部位的壓強(qiáng)損失，可以得到壓電泵效率的公式，可以表示為：

65、

66、根據(jù)效率公式可以得到壓電泵的輸出流量：

67、q＝fδvη?(1-20)

68、式中：η是壓電泵的效率；f是壓電泵的驅(qū)動(dòng)頻率。

69、聯(lián)立公式可以得到壓電泵的輸出流量：

70、

71、本發(fā)明具有如下有益效果，

72、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案通過分析壓電振子的振動(dòng)特性和輸出特性，來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)中流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和電場(chǎng)相互耦合的數(shù)學(xué)模型，分析影響其振動(dòng)特性和流量輸出特性的主要因素。從理論上獲得機(jī)電液系統(tǒng)要素對(duì)新型壓電流體驅(qū)動(dòng)泵性能的影響規(guī)律以及合理的系統(tǒng)參數(shù)匹配關(guān)系；采用多目標(biāo)優(yōu)化和粒子群算法建立數(shù)學(xué)模型，并用層次分析法根據(jù)各因素對(duì)評(píng)價(jià)因素重要程度不同進(jìn)行全局多層并行的優(yōu)化選擇，提取制約泵送能力的關(guān)鍵要素；

73、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案通過利用流體力學(xué)仿真工具，了解壓電流體驅(qū)動(dòng)泵泵腔內(nèi)部液體的具體流動(dòng)狀況和壓強(qiáng)損失情況，來(lái)分析壓電流體驅(qū)動(dòng)泵的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)以及流體間的非線性耦合規(guī)律，尋求壓電流體驅(qū)動(dòng)泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)間的最優(yōu)匹配關(guān)系，從而建立壓電流體驅(qū)動(dòng)泵的系統(tǒng)性理論模型；

74、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案通過利用控制變量法，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)和仿真分析的可靠性，設(shè)計(jì)了圓頂復(fù)合結(jié)構(gòu)無(wú)閥壓電泵輸出性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的搭建，制作不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試了不同圓頂結(jié)構(gòu)、不同梯形單側(cè)角度和不同圓角導(dǎo)流結(jié)構(gòu)參數(shù)下的泵輸出流量和輸出壓強(qiáng)，并分析了各個(gè)參數(shù)對(duì)輸出性能的影響關(guān)系；

75、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案通過提出一種泵腔內(nèi)部設(shè)置圓頂復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電流體驅(qū)動(dòng)泵，在正對(duì)進(jìn)液口的泵腔處設(shè)置圓頂結(jié)構(gòu)，以減小液體正向撞擊時(shí)產(chǎn)生損失的壓強(qiáng)，當(dāng)液體由進(jìn)液口進(jìn)入泵腔，并撞擊圓頂結(jié)構(gòu)的鋒面時(shí)，液體會(huì)形成分流狀態(tài)，隨后緊貼著圓頂結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行流動(dòng)；圓頂結(jié)構(gòu)的后方連接著一個(gè)梯形結(jié)構(gòu)，梯形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成兩個(gè)逐漸收縮的流道，液體流經(jīng)收縮流道時(shí)產(chǎn)生的流速逐漸增加，促使更多的液體流經(jīng)流道，當(dāng)液體反向由出液口流入泵腔并撞擊至梯形的后端豎面時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生更多的壓強(qiáng)損失，導(dǎo)致了回流量的大大減?。槐们坏奈捕嗽O(shè)置圓角導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以為液體流出泵體提供更好的流動(dòng)路線，能夠有效解決現(xiàn)有技術(shù)中的壓電泵普遍具有流量較小，泵送能力較弱等共性技術(shù)問題。