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压电振子静力学变形对电泵工作性能的影响

对压电振子实施静力学仿真,掌握压电振子的变形形态和它在不同电压驱动下中心点的位移情况。通过观察,发现在直流电压作用下的压电振子变形为拱形,其状态与一阶振动形态时的形状很相似,均为中心点位置的变形最大,然后从中心点向外围挠度越来越小,压电振子的中心点位移能够达到34.7pm。仿真模拟了压电振子中心点在不同电压驱动作用下的变形曲线,如图1,从该曲线中可以发现,压电振子中心点变形量和驱动电压呈线性关系,并且随着电压的增大而逐渐增大。在进行试验的过程中,为了实现较大的振动位移,广一水泵厂选取较大的电压作为驱动电压,增加容腔体积变化量,从而增强压电泵的输出能力,但是同时还要保证压电振子具有一定寿命,当电压过高时,压电振子容易失效,所以驱动电压的选择要合理。


为了保证压电泵具有较高的工作稳定性,要求压电振子在产生较大位移的情况还能不发生断裂或者破碎等失效情况,对压电振子的应力分布情况实施静力学分析,驱动电压选取为120V,当压电振子的中心点位移达到最大时,压电陶瓷的边缘位置出现最大应力,大小大概为14.2MPa,这个应力值相对于铍青铜基板的屈服极限很小,所以压电泵在这个驱动电压作用下精度和稳定性都会有所保证,完全能够达到压电泵的性能要求。

图1:中心点的电压-幅值特性和应力云图

中心点的电压-幅值特性和应力云图

通过对压电振子进行谐响应分析,探索圆形压电振子在谐波信号激励下在不同频率范围内的共振相应,从而了解其在不同频率范围内的振动状态。本文中将正弦交变电压的频率区间设为0到4000Hz范围内,每隔100Hz获得一个频率值,将正弦波电压120V施加到圆形压电振子一侧,取圆形压电振子中心位置点Y轴方向数值,参考点选择位于圆形压电振子外边缘处的一点,然后进行仿真。


位于圆形压电振子中心点位移及其位于边缘位置点位移都在频率2200Hz左右取得最大值,这个值和一阶振动模态的固有频率比较接近。当圆形压电振子处于二阶、三阶振动模态时,都会出现一处凸起、另一处凹陷的情形,在其处于四阶振动模态时,出现了两处凸起、两处凹陷的情形,这说明了当压电振子处于二阶、三阶、四阶振动模态对应的固有频率值处时,并没有最大峰值点出现。谐响应分析表明,当压电振子的驱动频率小于2200Hz时,其振型呈拱形,其振动模态将一直处于一阶,中心点位移大,边缘位置点的位移逐渐减小。


用激光测微仪测量压电振子的振幅,将广一管道泵与驱动电源连接,激光测微仪连接到电脑上,激光测微仪的探头将激光射在压电振子的中心点上,首先测得压电振子的振幅随驱动电压的变化关系,驱动频率为400Hz,激光测微仪的采样频率为392kHz,在压电振子的一个振动周期中采集将近1000个点,所以能够有效的采集到它的真实变形情况,压电振子中心点振幅随着驱动电压的增加而增大,呈现很好的线性关系,在驱动电压是20V时,压电振子的振幅为2.3,当驱动电压是120V时,压电振子的振幅达到35。将实验测得的振子振幅和仿真结果进行对比,看出两种方法测得的曲线趋势一致,且数值相差较小,误差在允许的范围内,佐证了仿真结果的正确性。


测试压电振子中心点振幅随频率的变化关系,水泵驱动电压选为120V,驱动频率范围40Hz〜400Hz,得到其中心点振幅随驱动频率的变化关系曲线。压电振子中心点振幅随着驱动频率的增加逐渐递减,并近似呈线性关系,在驱动频率为40Hz时,其中心点振幅最大为38.4pm,当驱动频率为400Hz时,其中心点振幅最小为35pm。


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点击次数:  更新时间:2018-01-13 09:00:36  【打印此页】  【关闭