本發(fā)明涉及壓電流體驅動泵領域，特別涉及一種基于固液耦合的壓電流體驅動泵性能測試分析方法。

背景技術：

1、近些年來，由于微機電系統(tǒng)(mems)的廣泛應用以及納米技術的迅猛發(fā)展，微流量系統(tǒng)作為微機電系統(tǒng)的一個重要分支，也得到更好的發(fā)展和應用。微型泵作為微流量系統(tǒng)的核心驅動源，起著能量轉換的關鍵作用，廣泛應用于藥品輸送、燃料電池、微量化學分析等領域。壓電流體驅動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：單晶片壓電振子在正向交流電信號的刺激下，向上發(fā)生彎曲變形，泵腔內部體積增大，壓強減小，液體同時由進液口和出液口被吸入泵腔；(b)為排出行程：單晶片壓電振子在反向交流電信號的激勵下，向下產生彎曲變形，此時，泵腔內部的體積逐漸降低至最低點，壓強逐漸上升至最高，此時腔內的液體同時通過進液口和出液口被排出泵體。經過上述工作過程的連續(xù)工作，就形成了液體的定向流動。

2、目前，現有技術中的壓電泵普遍具有流量較小，泵送能力較弱等共性技術問題，對于現有結構壓電泵的改進多是基于有限元法構建壓電泵的三維模型，從而對其結構參數進行優(yōu)化設計改進，但現有方法缺少一定的理論分析基礎，無法對現有壓電泵的輸出性能進行系統(tǒng)性的方案設計和輸出性能檢測，以至于不能有效解決上述中提及的現有壓電泵的共性技術問題。為此，我們提出一種基于固液耦合的壓電流體驅動泵性能測試分析方法。

技術實現思路

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動泵性能測試分析方法，可以有效解決背景技術中的問題。

2、為實現上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為，

3、一種基于固液耦合的壓電流體驅動泵性能測試分析方法，包括：

4、分析壓電振子的振動特性和輸出特性，構建系統(tǒng)中流場、應力場和電場相互耦合的數學模型，分析影響其振動特性和流量輸出特性的主要因素；

5、獲得機電液系統(tǒng)的主要因素對壓電流體驅動泵性能的影響規(guī)律以及合理的系統(tǒng)參數匹配關系，利用多目標優(yōu)化和粒子群算法建立數學模型，并用層次分析法根據各因素對評價因素重要程度不同進行全局多層并行的優(yōu)化選擇，提取制約壓電流體驅動泵輸出性能的關鍵結構參數；其中，所述輸出性能包括輸出流量和輸出壓力；

6、所述壓電流體驅動泵的組成部分包括進液口、出液口和泵體，其中，所述泵體的內部泵腔設置有具有所述關鍵結構參數的圓頂復合結構，所述圓頂復合結構包括：

7、于正對進液口的泵腔處設置的圓頂結構；

8、所述圓頂結構用于減小液體介質正向撞擊時產生損失的壓強，當液體由進液口進入泵腔，并撞擊圓頂結構的鋒面時，液體介質會形成分流狀態(tài)，隨后緊貼著圓頂結構的表面進行流動；

9、于所述圓頂結構的后方連接的梯形結構；

10、所述梯形結構的兩側形成兩個逐漸收縮的流道，液體流經收縮流道時產生的流速逐漸增加，促使更多的液體介質流經流道，當液體介質反向由出液口流入泵腔并撞擊至梯形的后端豎面時，將會產生更多的壓強損失，導致了回流量的大大減?。?/p>

11、于泵腔的尾端設置的圓角導流結構；

12、圓角導流結構能夠為液體介質流出泵體提供更好的流動路線；

13、當液體介質由進液口進入泵腔并撞擊圓頂結構的頂角時，在圓頂結構的兩側形成雙列漩渦，從而改變液體的流動方向，使其順著梯形結構兩側的流道逐漸流至尾端圓角導流結構，然后被引流至出液口流出泵體。

14、所述關鍵結構參數包括：

15、圓頂結構的半徑；

16、梯形結構的單側角度；

17、圓角導流結構的圓角半徑。

18、所述梯形結構在尾端設置有高度不同的兩階階梯，其中：

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

20、所述階梯還用于提高輸出流量，當進液口流入泵體的液體介質流經梯形兩側流道時，通過兩階階梯之間的縫隙流出泵體；

21、利用流體力學仿真工具，構建壓電流體驅動泵的三維模型，獲取其泵腔內部液體介質的具體流動狀況和壓強損失情況，分析所述關鍵結構參數以及流體間的非線性耦合規(guī)律，尋求壓電流體驅動泵系統(tǒng)結構及參數間的最優(yōu)匹配關系，建立壓電流體驅動泵的系統(tǒng)性理論模型；

22、構建輸出性能的測試平臺，利用控制變量法與所述測試平臺上進行實驗測試，根據實驗測試數據獲取在驅動電壓和驅動頻率下，各所述關鍵結構參數與輸出性能的影響關系；

23、其中，所述測試平臺包括：交流電源模塊、輸出流量獲取模塊、輸出壓力獲取模塊、正弦式信號發(fā)生模塊、固定模塊、待測壓電流體驅動泵；

24、所述待測壓電流體驅動泵通過所述固定模塊進行固定；

25、所述正弦式信號發(fā)生模塊輸出正弦式驅動信號作用于所述待測壓電流體驅動泵；

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試過程中，待測壓電流體驅動泵液體介質的輸出流量參數和輸出壓力參數；

27、所述交流電源模塊用于為測試過程提供所需電能。

28、其中，壓電流體驅動泵的理論主要包括體積變化量建模及泵腔內部流動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的激勵下產生周期性上下往復振動，其半個周期的運動產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產生的體積量：

32、

33、由圖2壓電振子的振動體積模型可知，在z軸方向上有：

34、c+d＝r?(1-3)

35、在△acr內部則有：

36、a2+c2＝r2?(1-4)

37、聯立方程(1-1～1-4)可得：

38、

39、其中：δv是壓電振子在電信號激勵下產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產生的中心最高高度。

40、當壓電振子發(fā)生振動時，泵腔內部的體積發(fā)生周期性變化，其泵腔內部的壓強發(fā)生改變，由于振動引起的壓強變化可以視為標準大氣壓強變化，根據標準大氣壓強方程可得：

41、pv＝nrt?(1-6)

42、

43、聯立方程(1-6～1-8)可以得到泵腔內部的壓強最大變化量為：

44、

45、式中：p1代表的是標準大氣壓強；v1為壓電振子處于平衡狀態(tài)時泵腔內部的體積量；p2為壓電振子在電信號的激勵下向上變形至最大位移時泵腔內部產生的壓強變化。

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

47、

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

49、δpi＝pi1+pi2+pi3?(1-11)

50、泵腔內部液體反向壓強損失為：

51、δpo＝po1+po2?(1-12)

52、

53、式中：ki為壓強損失系數；v2為液體進入泵腔內部時產生的流速；pi1是液體由進液口進入泵腔撞擊圓頂結構產生的壓強損失；pi2是液體流經梯形兩側的收縮流道過程中產生的壓強損失；pi3是液體流經尾端圓角結構產生的壓強損失。po1是液體由出液口流入泵腔撞擊至階梯垂直豎面產生的壓強損失；po2是液體反向流經收縮管產生的壓強損失。液體進入泵腔內部產生的壓強損失可通過公式(1-13)得到。

54、液體撞擊圓頂結構時產生壓強損失和圓頂結構頂端半角之間的關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、由三角關系可得：

57、

58、式中：l是圓頂頂端至梯形前端面的垂直長度；r是圓頂底面的半徑；ρ是工作液體的密度。

59、泵腔內部的液體通過收縮流道產生的壓強損失系數與梯形的單側角度近似呈現開口向下的拋物線狀，建立方程為：

60、k2＝-k2α12(0°＜α1＜90°)?(1-17)

61、當液體經過圓角導流結構時產生的壓強損失系數和圓角導流結構的半徑的關系近似為線性關系，用方程表示為：

62、k3＝k3c?(1-18)

63、式中：k1、k2、k3為常數，α1為梯形的單側角度；c為圓角導流結構的半徑尺寸。

64、通過上面公式的推導可以得到圓頂復合結構各個元素部位的壓強損失，可以得到壓電泵效率的公式，可以表示為：

65、

66、根據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是壓電泵的驅動頻率。

69、聯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、與現有技術相比，本發(fā)明技術方案通過分析壓電振子的振動特性和輸出特性，來構建系統(tǒng)中流場、應力場和電場相互耦合的數學模型，分析影響其振動特性和流量輸出特性的主要因素。從理論上獲得機電液系統(tǒng)要素對新型壓電流體驅動泵性能的影響規(guī)律以及合理的系統(tǒng)參數匹配關系；采用多目標優(yōu)化和粒子群算法建立數學模型，并用層次分析法根據各因素對評價因素重要程度不同進行全局多層并行的優(yōu)化選擇，提取制約泵送能力的關鍵要素；

73、與現有技術相比，本發(fā)明技術方案通過利用流體力學仿真工具，了解壓電流體驅動泵泵腔內部液體的具體流動狀況和壓強損失情況，來分析壓電流體驅動泵的關鍵結構參數以及流體間的非線性耦合規(guī)律，尋求壓電流體驅動泵系統(tǒng)結構及參數間的最優(yōu)匹配關系，從而建立壓電流體驅動泵的系統(tǒng)性理論模型；

74、與現有技術相比，本發(fā)明技術方案通過利用控制變量法，驗證結構和仿真分析的可靠性，設計了圓頂復合結構無閥壓電泵輸出性能的實驗測試平臺，并實現了平臺的搭建，制作不同結構參數的樣機并進行試驗測試，測試了不同圓頂結構、不同梯形單側角度和不同圓角導流結構參數下的泵輸出流量和輸出壓強，并分析了各個參數對輸出性能的影響關系；

75、與現有技術相比，本發(fā)明技術方案通過提出一種泵腔內部設置圓頂復合結構的壓電流體驅動泵，在正對進液口的泵腔處設置圓頂結構，以減小液體正向撞擊時產生損失的壓強，當液體由進液口進入泵腔，并撞擊圓頂結構的鋒面時，液體會形成分流狀態(tài)，隨后緊貼著圓頂結構的表面進行流動；圓頂結構的后方連接著一個梯形結構，梯形結構的兩側形成兩個逐漸收縮的流道，液體流經收縮流道時產生的流速逐漸增加，促使更多的液體流經流道，當液體反向由出液口流入泵腔并撞擊至梯形的后端豎面時，將會產生更多的壓強損失，導致了回流量的大大減小；泵腔的尾端設置圓角導流結構可以為液體流出泵體提供更好的流動路線，能夠有效解決現有技術中的壓電泵普遍具有流量較小，泵送能力較弱等共性技術問題。