Для того, что бы задать сигнал генератора, запускается специальная программа "Generator".

На лицевой панели программы (Рисунок 4.18) выбираем задание параметров по каналам "ГРУППОЙ"

Рисунок 4.18 - Лицевая панель программы генератора

Во вкладке "ГРУППОЙ" настраивается форма сигнала (для проверки работоспособности "ПРЯМОУГ. ИМП." для выполнения испытаний - "СИНУС"), амплитуда напряжения, частота и смещение фаз (окно ФАЗА, ГРАД. отображает смещение фаз каждого отдельного выхода). В остальные настройки корректировки не вносятся. Пример заполнения представлен на рисунке 4.19.

Рисунок 4.19 - Пример заполнения окна "ГРУППОЙ" для задания синусоидального сигнала с напряжением 100 В, смещением фаз каждого следующего канала 45 и частотой 1 Гц

Затем необходимо нажать "ВОЗВРАТИТЬСЯ В ОСНОВНУЮ ПРОГРАММУ". Откроется лицевая панель программы, на которой надо выбрать "СТАРТ ГЕНЕРАЦИИ".

Для прекращения подачи сигнала и его изменения необходимо нажать "СТОП ГЕНЕРАЦИИ" и повторить описанный выше алгоритм.

Описание процедуры измерения

В ходе эксперимента на макет насоса подавалось управляющее синусоидальное напряжение с определенным смещением фаз относительно каждого следующего ПЭ. К примеру, если указано "сдвиг фаз 20", значит, фазы на ПЭ распределены следующим образом:

ПЭ: №1№2№3№4№5№6№7№8

Фаза ц: 0 20 40 60 80100120140

В процессе исследования изменялись частоты в пределах 1…50 Гц, с шагом 1 Гц. Измерялось изменение высоты столба жидкости в выходной трубке.

Показания снимались следующим образом: минимальное значение высоты снималось по установившемуся уровню жидкости (ожидание ~15 минут), данное значение принималось постоянным на протяжении всего исследования, затем включался насос, который работал до тех пор, пока высота столба жидкости не переставала меняться. После снятия этого значения, насос отключался, изменялись настройки управляющего напряжения, и снова запускался.

Испытание макета с подложкой из нержавеющей стали

На макете с подложкой из нержавейки были проведены исследования для фаз (20…75) с шагом 5. На сдвиге фаз 80 произошла критическая поломка пьезоэлементов (см. протоколы 12 и 16). Все полученные данные приведены на рисунке 4.21. Из рассмотрения выведены те данные, которые были проведены неверно, с большой случайной погрешностью и те, где нарушались условия эксперимента.

Для наглядности на рисунке 4.20 приведена зависимость максимального выходного давления от смещения фаз. Явно заметен рост давления на выходе при повышении сдвига фаз.

Рисунок 4.20 - Зависимость максимального давления столба жидкости, выталкиваемого насосом, от сдвига фаз

Рисунок 4.21 - Сводный график высоты столба жидкости от частоты при различных смещениях фаз

Из приведенных графиков видно, что максимум давления повышается при увеличении сдвига фаз и смещается в область более высоких частот.

Для всех кривых явно заметен выход на максимум, который сменяется падением выходного давления, которое стремится к некоторому значению, индивидуальному для каждого смещения фаз, обусловленное объемом, выталкиваемым из насоса при деформировании пленки насосом, которая, в свою очередь, не успевает вернуться в исходное состояние при повышении частоты. Видно, что чем больше фаза, тем более пологий рост давления, в то время как для малых фаз рост давления быстр и сменяется аналогично более резким падением, чем на больших фазах смещения.

Тем не менее, на фазах 30 и 35 заметно два максимума (рисунок 4.22).

Рисунок 4.22 - Зависимость высоты столба выталкиваемой жидкости от частоты для смещения фаз 30 и 35 относительно каждого следующего ПЭ

Вероятно, наличие двух максимумов связано с тем, что один механизм выталкивания жидкости, проявляющийся на малых сдвигах фаз и присущий малым частотам, сменяется другим, свойственный данной системе при работе на высоких сдвигах фаз и имеющий место на более высоких частотах.

На рисунке 4.23 можно проследить, что на малых сдвигах фаз (20-25) присутствует лишь один максимум, соответствующий частотам около 5 Гц. При фазе 30 заметно образование второго максимума, который на последующих фазах растет, в то время как первый максимум замедляет свой рост, превращается в полочку перед вторым максимумом (40), а затем исчезает (50).

Рисунок 4.23 - Сводный график высоты столба жидкости от частоты при различных смещениях фаз

Выводы

Проведенные работы дали, несомненно, важные данные для понимания механизма работы насоса, позволила выявить недостатков макета и, соответственно, определить ряд требуемых доработок. Также данные исследования дают представление о параметрах насоса.

4.2.2 Измерение АЧХ пьезоэлементов

Для измерений АЧХ используется описанный выше стенд для снятия ВАХ. Отличие заключается в применении генератора.

В данном исследовании последователь действий была следующая:

1. Сборка цепи

2. Включение оборудование и прогрев в течение 15 минут.

3. Подача синусоидального сигнала частотой 10 Гц и напряжением 5 В (контроль напряжения по вольтметру)

4. Фиксация показаний амперметра.

5. Повтор пунктов 3-4 с изменением частоты 50 … 1000 Гц с шагом 50 Гц.

6. Повтор пунктов 3-5 с изменением напряжения 10 … 100 В с шагом 10 В.

Результаты измерений

Был измерен отдельный прямоугольный ПЭ с маркировкой "3". Ниже приведена таблица 4.3, отражающая значения тока от частоты и напряжения сигнала, подаваемого на ПЭ, и рисунок 4.24, изображающий зависимости тока от частоты при различных напряжениях.

Рисунок 4.24 - Зависимости тока от частоты при различных напряжениях

Таблица 4.3 - Значения тока в мА, при различных частотах и напряжениях

Результаты измерений тока через ПЭ, размещенного на макете насоса

Данные измерения проводились в два подхода: без воды в камере насоса и с водой. Методика оставалась прежней. Графики тока от частоты приведены на рисунках 4.25 - 4.28.

Рисунок 4.25 - Результаты измерений АЧХ на ПЭ №81 без жидкости

Рисунок 4.26 - Результаты измерений АЧХ на ПЭ №81 с жидкостью

Рисунок 4.27 - Результаты измерений АЧХ на ПЭ №82 без жидкости

Рисунок 4.28 - Результаты измерений АЧХ на ПЭ №82 с жидкостью

В ходе испытания получены значения тока от напряжения при различных частотах для ПЭ из макета насоса. По графикам заметно, что ток, протекающий через ПЭ, растет почти линейно на всем исследуемом диапазоне частот и напряжений. Однако заметны отклонения в районе 200-400 и 650-900 Гц. Всплески и провалы на графиках АЧХ определяются, видимо, резонансными явлениями при колебаниях подложек с ПЭ - стенок камер насоса.

Средняя разница между зависимостью тока через ПЭ на макете с водой и без воды составила - 2,64 % (в среднем ток на макете с водой больше). Из этого сделан вывод о незначительном повышении потребления тока относительно холостого хода.

5. Заключение

На основании литературных и патентных исследований разработано схемное решение пьезоэлектрического микронасоса, с использованием перистальтического принципа перемещения жидкостей.

В основе действия насоса положено возбуждение бегущей волны изгибных деформаций стенок рабочей камеры.

В качестве базовой принята и построена расчетная двумерная модель пьезонасоса на базе уравнений пьезоэффекта в матричной форме. Установлено, что деформации стенок камеры определяются кривизной участка с пьезоэлементами.

Теоретическое моделирование позволило оптимизировать параметры элементов пьезонасоса, в частности, толщины слоев его двухслойной модели. В результате были составлены таблицы соответствия толщин слоев кривизне системы для латунных и никелевых подложек.

Для проведения экспериментов были изготовлены макеты, различающиеся материалом подложки (латунь, никель, нержавеющая сталь). В качестве пьезоэлементов использованы пластины из пьезокерамики марки ЦТС-19.

Проведенные испытания макетов пьезонасоса с 8 пьезоэлементами показали результаты по амплитуде деформаций камеры около 90 мкм и выходное давление около 0,6 кПа. Установлена существенная зависимость выходных параметров от соотношения фаз на пьезоэлементах. Оптимальное соотношение фаз между соседними ПЭ составило 75 при частоте 37 - 38 Гц.

Электрические испытания показали незначительное (порядка 3%) увеличение потребляемого тока в случае заполнения камеры водой по сравнению с пустой камерой.

В итоге, поставленные задачи решены, цель данной работы достигнута: разработаны и исследованы физические модели микронасосов перистальтического типа с пьезоэлектрическим приводом, сформулированы рекомендации по их усовершенствованию.

Список использованной литературы

1. D.J. Laser and J.G. Santiago. A review of micropumps / Journal of Micromechanics and Microengineering, 14.2004.С. R35-R64.

2. Smits J.G. 1990 Piezoelectric micropump with 3 valves working peristaltically Sensors Actuators A 21 203-6 [Смитс Я.Г. 1990 Пьезоэлектрический насос с тремя мембранами перистальтически активируемые, Sensors Actuators A 21 203-6]

3. Kim H.H. et al. - 2009. Design and modeling of piezoelectric pump for microfluid devices // Ferroelectrics. - Т.378. - №.1. - С.92-100. [Ким Х. и др. - 2009. Разработка и моделирование пьезоэлектрического насоса для микрожидкостных устройств. Журнал: Ferroelectrics (Taylor & Francis Group)].

4. Kim et al. H. - H. - 2010 Design of a Valveless Type Piezoelectric Pump for Micro-Fluid Devices - TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC MATERIALS Vol.11, No.2, pp.65-68, April 25, 2010 [Ким Х. и др. - 2010. Разработка бесклапанного пьезоэлектрического насоса для микрожидкостных устройств. Журнал: TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC MATERIALS, том 11].

5. Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. - М.: Машиностроение, 1980. - 326 с.

6. Поплавко Ю.М., Якименко Ю.И. "Физические механизмы пьезоэлектричества" - Киев: Аверс, 1997, - 153 с. ISBN 966-95297-0-0

7. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение / Пер. с англ. С.Н. Жукова. - Мн. ООО "ФУАинформ", 2003. - 112 с. ISBN 985-6564-76-X (рус.)

8. Виноградов А.Н., Духовенский Г.Е. Исследование пьезоэлектрических микронасосов для медицинской и космической техники // Труды XII Межвузовской научной школы молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине": Сб. научн. тр. - М: НИИЯФ МГУ. 2011. - С.82 - 87.

9. Виноградов А. Н, Духовенский Г.Е., Матвеев Е.В. Моделирование и анализ перистальтических пьезонасосов // "Вакуумная наука и техника" Материалы XX НТК. Под редакцией д. т. н., профессора Д.В. Быкова.М. ~: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. - С.54-60.

10. МБВД - Программа по моделированию бегущей волны деформаций // Виноградов А.Н. , Духовенский Г.Е. - Свидетельство РФ о гос. регистрации № 2012610487. Правообладатель ГНУ НИИ ПМТ, 2011. - 58 с.

11. П.А. Титов "Моделирование деформированного состояния и оптимизация камер микронасосов с пьезоэлектрическим приводом" Сборник научно-исследовательских работ студентов - победителей Конкурса НИРС 2013-2014 гг. / Нац. исслед. ун-т "Высшая школа экономики". - М.: Изд. дом Высшей школы экономики, 2015. - С.774-787.

Размещено на Allbest.ru