基于微小阀圆形压电晶片驱动器的作用机理与试验研究

作     者：梁建波 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程光明

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：压电晶片 驱动器 挠度 耦合 

摘      要：根据微小型阀用压电驱动器的理论研究与应用研究的现状,为了对圆形压电晶片驱动器及其对应的微小主动阀进行性能预测,本文将压电晶片驱动器的粘接层作为单独的一层,结合压电陶瓷层和基板层进行解析建模,推导出了其弯曲变形方程和有效机电耦合系数的解析表达式,从而明确了影响压电晶片驱动器输出特性的因素;并以这些影响因素为变量,利用软件ANSYS进行了仿真分析,找出了圆形压电晶片驱动器弯曲变形特性与这些因素的关系。并且对以圆形压电晶片为驱动器的微小型主动阀在流体系统中的性能进行了初步测试,进一步得出了圆形压电单晶片在流体系统中,经固-液耦合作用后,自身属性与输出性能的关系。主要研究内容如下： 1.压电驱动器的理论研究与应用研究现状 在微小阀的驱动方式中,压电驱动式的驱动器和传统的驱动方式比,具有频响高、功耗低及不受电磁干扰等突出优点,因此,压电驱动器在航空航天、生物医学等高、精、尖、微领域都有应用。对压电驱动式的驱动器取代传统驱动方式的研究,已经成为了热点研究领域。而基于微小阀压电驱动器的理论研究,主要有三种方法,分别为解析法、数值法和等效电路法,它们各有优缺点,对于压电振子的基础理论研究,普遍运用的仍然是解析建模运算的方法。 2.压电学基础理论与压电晶片驱动器特性分析 在明确了压电体基本参数的基础上,基于克希霍夫关于经典板理论的基本假设,把粘接层作为单独的一层,建立了周边固支条件下的圆形压电单晶片数学模型表达式;再利用轴对称平板平衡方程,建立了关于圆形压电单晶片的挠曲线微分方程;二者联立得到了周边固支条件下的圆形压电单晶片的挠曲线方程。并且参考压电晶片能量方程,推导出了压电单晶片的有效机电耦合系数理论表达式;从而,明确了微小型阀用圆形压电晶片驱动器的属性参数对其输出性能的影响。 3.微小阀用压电晶片驱动器的性能仿真分析 建立了微小阀用圆形压电单晶片的有限元模型,分别以圆形压电单晶片的基板和压电陶瓷的半径、厚度以及它们的半径比、厚度比、驱动电压和圆形压电驱动器在流体系统中两侧的压差为变量,对微小阀用圆形压电单晶片进行了数值仿真实验,根据仿真结果分析了微小阀用圆形压电驱动器在驱动电压、内外压差作用下,圆形压电晶片驱动器的几何参数与圆形压电晶片驱动器输出特性的关系。 4.基于圆形压电晶片驱动器的微小主动阀样机制作及其在流体系统中的试验研究 利用LABVIEW编译的信号发生器作为驱动电源,对圆形压电晶片驱动器的仿真结论进行了试验验证,结果表明试验数据与仿真数据基本一致。同时,基于主动控制阀模型,制作了试验用微小阀样机,并通过推导出的理论流量计算出压电振子在流体系统中的平均变形量,进而,确定压电晶片驱动器属性参数对主动阀截止性的影响。结合Navier-Stokes方程与不可压缩粘性流体的连续方程,对基于圆形压电晶片驱动器的微小主动阀样机进行了固—液耦合测试,得出了微小型阀用圆形压电晶片驱动器在流体环境的性能输出结论,为今后的研究工作提供了可以借鉴的参考。