压电驱动微型蠕动泵外文翻译.docx
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压电驱动微型蠕动泵外文翻译
附录A
附录B
压电驱动微型蠕动泵
摘要越来越多的美国航空航天局的实验,仪器和应用要求是微型泵和低功率消耗。
为了解决这个问题的需要,压电驱动泵是正在开发中。
该泵采用了一种新的机制取代使用量弯曲行波的这一行为消除了对阀门或运动部件身体的需要。
有限元模型,利用ANSYS来预测为蠕动泵驾驶定子振动模式的共振频率。
该模型还允许同时确定的模式是不同的共振频率与相关的形状。
这种能力是泵的设计尺寸和几何至关重要。
为了预测和优化泵的效率,这是由商会的抽水量确定的,该模型被修改,以进行谐波分析。
电流能力允许,作为泵几何,建筑材料和各分庭的卷之间的山峰和山谷的海浪提供经营模式,如设计参数影响的测定。
进行实验使用的是蠕动泵面包板,显示抽水约3.0毫升/min的速度。
泵的性能在不断进行修改,以提高性能和效率。
关键词:
泵,压电驱动,蠕动泵,执行器
1.引言
美国航空航天局的任务要求正在成为大规模,尺寸,功耗和成本方面更严格了越来越多重视对行星仪器和航天器子系统的可靠性。
这些制约因素是决定的类型文书,将用于未来的使命,他们影响了水泵,可以要求设备就业。
泵被用于多种应用,他们包括热管理,冷却系统,大规模光谱仪,真空控制装置和压缩机。
美国航空航天局正日益成为与地球表面的参与采样任务和现场远程分析哪里有需要,使仪器仪表的液体流动。
该需要泵需要运输的液体通过过滤介质,它可能含有细菌和其他微生物,和流离失所量可高达毫升低。
[Weissler和卡尔森,1979;Lucovsky,1989]与运动部件有密封问题的关键,往往穿比较快速,需要一个相对高功率,表现出了可靠性的一些问题,难以小型化及有限温度性能。
一项研究是目前在喷气推进实验室的NDEAA技术实验室正在进行压电驱动微型制定泵,可以克服传统的局限机制。
微型制定泵正在发展成为一个微型低功率器件。
一种新的机制取代使用量弯曲行波,哪些行为并允许对阀门需要消除或物理移动部分,诱使抽水效果。
抽水行动是通过用人的形成多个商会之间的山峰和山谷的行波。
为一个压电驱动泵发展的基础被放置在美国航空航天局的任务,题为”行星灵巧手”,其中压电电机已发达国家作为一个传统的电动机[立和酒吧,科恩,1997]的替代方案。
一般来说,压电电动机独特的特点,有吸引力的机器人应用,亨特和,1991;Hagood和McFarland,1994包括小型化,低功耗,自保持力和施工简单。
随着适当的电子逻辑(温度对压电效应补偿系数),在最近的实验喷气推进实验室已经表明,这些钼职责范围的工作在120K和16毫托真空温度有效地与转矩转速性能类似于室温[Bar-Cohen,Bao,andGrandia,1998]。
超声波马达的特点允许开发piezopumps不需要阀门,具有低回流和具有高可靠的潜力,因为运动部件的使用。
为了最大限度地提高泵的效率,参数化研究(液体和固体力学,热)正在进行中,这项研究的结果将在本手稿审查。
2行波放大器的驱动原理
在过去的几年里,看见一个涌压电材料使用执行机构,如作为扶轮电机其他驱动机制。
超声电机出现在日本的商业产品,如自动对焦相机。
这些压电电机提供潜在的优势在该地区的用电效率、输出转矩/质比率,体积小,价格便宜[HagoodMcFarland,1994)。
这个技术提供了基础压电泵机制,可以用来转移液体媒体之间。
协助了解泵机制,压电电机技术简要回顾了在接下来的段落。
压电电机的驱动材料的微观变形放大通过任何一个静态力学或动态/共振手段。
压电电机有见过商业应用领域,结构紧凑,效率高,需要间歇运动。
这些应用包括相机镜头,[精工手表电机有限公司,1992]在图1、压电电机工作原理,显示时,在压电晶体受定子、转子,推动在亲密接触。
弯曲波的旅行建立了弹性表面上的定子转子压推动其上使用椭圆粒子的运动。
该操作的压电电机取决于摩擦在转子和定子之间的接口。
检测压电电机的操作方针,这是很容易看到多腔的形成之间的波山脊。
这些商会提供一个平台,为交通俘获气体或液体的方向波的传播。
工作原理是基于我们的piezopump使用这些多室,如图所示图2中可以看出。
为了说明行动,一个泵站泵可以设计一个基于两个同步了静作为固定驱动的成分,分别用压电陶瓷驱动兴奋。
波传播同时在界面处、多室形式,充满理想的气体或液体。
内形成,关闭,乘一个滚动运动可以被描述为一个压缩的效果。
这蠕动同步行动波是联系在一起的任何身体上的可动部分和旅行是一种无阻力波运动。
图1:
压电电机的运行原理。
图2:
压电泵的工作原理
每一个移动的开放两静之间的腔室定义尺寸的卧房里。
有一个重要的特征是它的微型制定泵消除需要阀门、滑动密封或其他组件,能引起磨损。
泵吸液体或气体沿波方向流动。
多内之间形成的两个驱动,同步匝紧贴着对方如一个严格的密封界面。
这些紧密关闭表面流泵泵时是关闭的。
定子模型,作为依据,微型制定泵一直都很成功,取得了良好的协议是观察之间的模式特点,证实了实验的设定在麻省理工学院的干涉(见图3)。
同时,模态分析结果表明:
一个优秀的协议,该协议共振频
图3:
在对一个由4个模式压电驱动器(左)和使用干涉实验佐证驱动定子频率响应的理论预测的看法。
一个有限元模型,开发利用超声波马达的模拟结果和它的泵,即定子,接口和压电驱动器的关键部件帐户。
进行实验证实了该模型的预测。
3建模系统
建模为一个被置于以及分布式正常和切接口在接触点的压力,造成定子压电力量分布板。
为了让分散在正常模式和切向力的考虑,该模型将包括路途上的波动,通过时间和空间外的90度正交相波方式强迫。
在界面上的定子的接触点会被假定为标准。
泵的性能预测使用的驱动元件的瞬态和稳态值来计算的抽气效率。
所选材料和泵的配置确定其效率和能力,在低环境温度和压力有效,如火星环境。
该分析模型中的参数是影响空间环境中的泵操作,并提供在为泵的建设(驱动元件,定子材料,表面涂层等)的关键材料的选择指南。
在弯曲行波是诱导压电陶瓷,也就是有效压电已知高的允许弯曲引起大波振幅系数四维。
最初,我们初步建立了集中有限元模型和使用的机制,作为一个抽水弯曲行波压电泵新概念的可行性论证。
后来,我们研究了与定子采用不锈钢,铜或铝制造压电泵操作。
我们创建了一个有限元模型使用了该金属环的振动模式压电泵共振频率预测ANSYS分析。
第一种模式的特点是金属环的一部分,它给了我们只是一个特定模式的共振频率。
我们的实验表明,它是从邻近必须保持模式的共振频率所需的模式了。
这项规定使我们修改模型,允许在各种模式的共振频率,同时推导。
图4显示了典型的有限元分析网格。
这种能力也是至关重要的决定和泵的尺寸和几何设计。
图5显示了一个典型的共振频率分析ANSYS的结果。
图4:
典型的网格有限元分析。
图5:
对一个压电泵环共振频率分析ANSYS的结果。
图6显示了有限元分析谐波典型的结果。
在表1谐波使用ANSYS分析的结果显示在峰谷间的弹性对微型制定泵定子行波距离给出。
同样的三种材料中使用了这项调查。
该驱动模式是5波模式和峰值驱动电压为100伏。
表2显示了高峰和不锈钢根据不同的驾驶模式的微型制定泵的距离。
这些值可以选择为允许获得之间的高峰和低谷的最大的商会开幕定子定子有效的建筑材料。
图6:
一个大型通用有限元分析软件ANSYS的结果和谐波分析。
表1:
峰之间的距离和弹性对压电泵定子行波山谷。
该驱动方式为5波模式和峰值电压为100伏特。
表二:
峰之间的距离和弹性上的不锈钢制成的压电泵定子行波山谷。
峰值电压为100伏特
4.电路测试技术及实验
基于新的体积取代机制,采用弹性波结果和有限元建模,我们设计和制造一个泵定子和一个玻璃密封板。
以压电陶瓷戒指在一起形成的金属环油泵驱动定子、塑性流体引导和硅橡胶是用来通道内流体泵腔。
图7显示截面的草图和侧面角度金属圈上。
图8显示简略地介绍了压电环极性序列激活4-wave设计模式。
图9所示的组成实验泵图10显示了泵的零件。
图7:
金属环的压电泵。
剖面图A图8:
专为4-wave压电环模式。
图9图10
如图8,银电极上的压电环分成几个部分。
每个部分极化无论是正还是负面。
一个部分是不极化作为换能器(即传感器)用于收集反馈数据。
极化压电环粘结金属使用环氧环定子。
一个塑料盖与管连接,然后安装在其他表面的金属环使用硅橡胶。
泵的组装测试使用电阻抗/增益相位分析仪,以实验确定共振频率。
图11显示了典型的结果阻抗分析。
在相角图峰确定了下模式的共振频率调查。
从这些派生的共振频率测试见表3连同相关理论结果和错误的百分比。
最大的错误百分比之间的预测和实测实验数据是9.9%,而最小的一个是0.9%。
据指出,通常较高的模式显示大之间差异的理论和实验结果。
这可能是因为我们使用同样大小的所有元素不同的模式此,较高的理论模式结果的准确性也不如较低的模式好。
图11阻抗测试结果
表三:
共振频率的理论和实验结果进行比较。
图12显示从两个不同的角度观点而工作泵抽水。
所有的装配泵他们测量了在词汇方面现为抽水率和最高压力泵可达。
这泵的心跳频率进行了测量,通过收集水抽入1分钟。
量的采集然后使用水毕业测量气缸。
泵的最高压力达到测量跳动水变成一个垂直管。
最高水平达到最高压力水代表了泵可以维持。
所以截至目前为止,最好的表现被记录大约3cc/每分钟心跳频率,在最高水位达到约11分厘米,相当于大约1100帕斯卡。
图12是一个工作泵抽水。
5结论
一种新的机制取代体积弯曲波驱动。
一压电环被粘在泵的诱导沿定子的弹性金属环行波定子。
之间的高峰和低谷的波动空间是用来沿着波水。
泵零件生产,组装和测试,证明了微型制定泵概念的可行性。
目前,该泵在每分钟3毫升抽水率与1100帕斯卡最高的压力水平。
更多的理论分析和试验进行以提高泵的性能。
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