基于柔性铰链放大的压电叠堆泵

　　对压电泵的研究始于20世纪70年代[1,2],现在该类泵在医疗[3]、化学分析[4]、航空航天以及汽车发动机燃料供给[4]等领域均有应用。压电薄膜泵的种类繁多,包括压电片驱动和压电叠堆驱动、单腔体和多腔体等多种结构类型[5-7]。压电泵的性能与压电振子的结构形式、工作参数相关,也受腔体的数量及其连接方式的影响。由于压电泵是将压电体激发的振动直接作用于流体,使其产生动压或流量输出的一种新型压电驱动机构,因此压电泵是一种涉及多个学科领域的新型流体机械,本文研究的压电泵利用柔性铰链作为放大机构,使压电泵获得了较好的输出特性。它拓展了压电驱动器的应用领域。

　　1　压电叠堆的特性分析

　　1.1　迟滞特性

　　当驱动电压U相同时,电压上升阶段和下降阶段的输出位移ΔL不同。在电压下降阶段,返回电压的峰值不同,输出的位移也不相同,这种现象称为迟滞。压电陶瓷的迟滞非线性属于非局部存储型迟滞非线性,这是压电陶瓷固有的特性。该特性表明系统下一时刻的输出不仅取决于当前时刻的输入,还取决于输入的历史。压电陶瓷的迟滞环是不对称的,即上升轨迹和下降轨迹之间没有对称轴。较好地掌握滞环特性便于有效的控制。本文以压电叠堆Tokin AE0505D16(以下简称压电叠堆)为研究对象,其滞环特性曲线如图1所示。先将压电陶瓷的驱动电压缓慢增加,达到一定数值后再缓慢减小。测量结果表明,压电叠堆滞环在15%左右。

　　1.2　谐振频率

　　压电叠堆的弹簧-质量系统的动力学模型如图2所示。谐振频率可由下式计算

　　式中:KT为压电叠堆刚度;meff为压电叠堆等效质量(取压电叠堆质量的1/3);M为附加质量。

　　KT用以下公式计算

　　式中:FMAX为压电叠堆最大输出力;SMAX为最大输出位移。

　　压电叠堆的FMAX为850 N,SMAX为16μm,质量约为0.42×10-3kg,其等效质量约为0.14×10-3kg,由式(1)、式(2)可得该压电叠堆的刚度约为5.3×107N/m,谐振频率为f0=10 kHz。快速响应是压电叠堆的主要特点,对式(1)求解可得压电叠堆达到名义位移所需的时间为

　　由式(3)可以求得压电叠堆的最小上升时间约为30μs。

　　2　单轴柔性铰链放大机构设计

　　压电叠堆作为泵的驱动元件,由于其输出位移小,需通过柔性铰链位移放大机构对叠堆的变形量进行有效放大。

　　柔性铰链位移放大机构具有运动精度高、定位精度高,机构简单、价格低等优点。可用于诸多微运动和微定位等领域。柔性铰链位移放大机构沿z轴方向的转动刚度是设计柔性铰链最重要的参数,计算柔性铰链沿z轴方向的转动刚度时,由于柔性铰链的变形集中在柔性铰链的圆弧部分,所以忽略柔性铰链圆弧以外的变形[8-10]。单轴转动柔性铰链的结构参数如图3所示。由力矩Mz引起柔性铰链扭转变形产生的转角为θ,由于柔性铰链实际角位移非常小,可认为θ=tanθ,由曲线斜率得到的铰链转角[11]为