压电泵

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研究历史

压电泵的研究是于2009年开始的。主要研究高流量输出泵的设计与实现，期间毕业了两名博士，陈建和叶阳，还毕业了三名硕士，邓知森、王雪艳和黄丹。刁卫东博士开始研究功率型压电液压泵。

方向简介

压电泵具有结构紧凑、易于微型化、功耗低、效率高、功率密度高、控制精度高、响应速度快、噪声小等许多优点，受到国内外研宄人员的广泛关注，并且在生物医疗、化学分析、微电子设备、机器人、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

压电泵是利用压电材料特有的逆压电效应来工作的。当给压电振子上的压电陶瓷施加交变的激励，由于逆压电效应使压电陶瓷内部产生变形并表现为宏观的振动并迫使泵腔体积发生变化，进而引起腔内压强变化，从而实现流体的传输。

现有的压电泵的研究方向主要以小型和微型泵为主，其优势在于能够精确的控制其输出流量和输出压力，多应用在生物医疗系统。但在某些场合，如计算机水冷，溶剂、药剂的配置等需要大流量的场合，小型泵并不能满足要求。己有的大流量泵存在成本高（如利用压电叠堆驱动的压电液压系统）、结构复杂以及体积较大的缺点，在某些不仅需要大流量，还对空间有限制的场合并不适用。

功率型压电液压泵是利用压电材料的逆压电效应，结合阀的整流作用，将压电材料的高频小行程运动转化为液体的单向流动，推动液压缸轴及负载运动从而对外做功的装置，具有功率密度大、响应快、易于小型化等优点，在航空航天、汽车和机器人等领域具有广阔的应用前景。

研究成果

陈建博士（2014级）主要研究了基于振动滤波器的压电泵。他认为造成目前压电泵的实际输出功率和工作效率普遍较低的主要原因是现有压电泵的有效工作频率较低，无法发挥压电材料在高频下工作功率密度高的优势。他通过引入振动滤波器阻隔泵腔内外液体的刚性连接，提高压电泵高频工作时的有效输出和工作效率。其研究的基于振动滤波器的压电泵在312Hz的工作频率下输出流量达到最大值并超过1660mL/min；另外当激励频率为345Hz时泵的输出背压达到最大值，约为85kPa。

叶阳博士（2016级）发现目前压电往复泵的实际输出功率和工作效率普遍偏低，不能充分发挥压电材料在高频下工作时功率密度高的优势。他认为造成这一现象的主要原因是在高频工作时压电往复泵中会产生空化现象。为了解决这一问题，他结合压电往复泵中液体工作状态，从典型压电往复泵的工作原理出发，分别从改变进出水阀分布，改善单向阀工作状况，降低进出水管中惯性质量这三个方面，对空化现象的抑制进行了研究。

刁卫东博士（2019级）研究了高压高频功率型压电液压泵。目前压电液压泵的功率普遍较低，其主要原因是工作频率不高，液体惯性质量、阀的动态特性以及压电致动器自身特性如压电材料内在的损耗等因素限制了压电液压泵工作频率的提高，使得压电材料的高功率密度优势没有得到很好的发挥。他从压电液压泵工作原理出发，详细分析了限制压电液压泵工作频率提高的主要因素，提出改进措施，并从营造高压液体环境为高频工作创造条件、引入振动滤波器减小液体惯性质量、引入机械弹性结构补偿液体及活塞惯性质量以及利用液体弹性补偿液体惯性质量等方面进行研究。设计了几款样机进行验证，其中引入机械弹性结构对液体及活塞惯性质量进行补偿基于谐振振子驱动的压电液压泵工作频率可达1.59kHz，在偏压为2MPa，激励电压为500Vpp时最大输出速度和阻塞力分别为20mm/s和66N，对应的最大输出流量和压强分别为151.7mL/min和0.52MPa；利用液体弹性补偿液体惯性质量即基于液体谐振驱动的压电液压泵工作频率可达2.4kHz，在偏压为5MPa，激励电压为400 Vpp时，最大空载速度和最大阻塞力分别为5.4 mm/s和181N，对应的最大输出流量和压强分别为40.8mL/min和1.43MPa。

邓知森硕士（2009级）主要研究了脉动离心隔膜压电泵。他认为对于容积式压电陶瓷泵，传统的单向阀在工作中存在严重的滞后性，使得它很难与压电陶瓷泵的壳面振动相匹配，腔式压电陶瓷泵的效率并没有得到充分地发挥。针对有阀压电容积泵中压电元件的高频特性和单向阀的低频特性不兼容问题，他提出了脉动离心隔膜压电泵。其压电泵在电压560Vpp，频率175.9Hz时移液体积为43.2uL，最大误差±3.5%，最小移液体积为3uL。

王雪艳硕士（2012级）研究了带有可压缩腔和两端固支阀的谐振式压电泵。她发现国内外尚未研究设计出一个能够在输出流量，输出背压及输出精度等方面均具有良好表现的高性能压电泵（时间为2015年之前）。为实现这一目标，她设计了一种带有可压缩腔缓冲结构及两端固支的PDMS单向阀的新型谐振式压电泵。该泵在361Hz、120Vpp的交流激励电压下，样机泵输出流量可达118mL/min，输出背压可达22.5kPa，功耗仅62mW，且在驱动电压为361Hz、4Vpp时，可得到稳定的最小输出流量160uL/min。

黄丹硕士（2013级）研究了一种振子中心固定式大流量压电泵。她针对己有的大流量泵存在成本高、结构复杂以及体积较大的等问题提出了以最常见、结构简单的圆形压电片为振子设计并制作了结构紧凑且具有大流量的压电泵。她设计的振子中心固定式大流量压电泵尺寸为42mm×42mm×12mm，实验测得在400Vpp，410Hz的正弦交流激励下，最大零背压泵水流量为1000mL/min，最大零流量泵压为20kPa。