微泵型壓電超聲波霧化器的研究

1、微泵型壓電超聲波霧化器的研究 中圖分類號:TH38 論文編號:1028701 13-S104 學(xué)科分類號:080104碩士學(xué)位論文 微泵型壓 電超聲波 霧化器研 究 本研究課題來源于國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號:51075201) 得到院士工作站的資助(項(xiàng)目編號:BM2011033) 本文在南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成研究生姓名 胡方軍學(xué)科、專業(yè) 工程力學(xué)研究 方向 流體機(jī)械指導(dǎo) 教師 趙淳生 教授南京航空 航 天大學(xué) 研究生院 航空宇航學(xué)院 二 一三 年三 月Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The

2、Graduate School College of Aerospace EngineeringResearch On micro Pump PiezoelectricUltrasonic AtomizerA Thesis in Engineering Mechanics by Hu Fangjun Advised by Prof. Zhang JianhuiSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requirementsfor the Degree ofMaster of EngineeringMarch, 2013 承諾書本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文

3、,是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。盡我所知,除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件,允許論文被查閱和借閱,可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書作者簽名: 日 期:南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 本研究課題來源于國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號:51075201),并得到院士工作站的資助(項(xiàng)目編號:BM2011033

4、)。 由于隨著科學(xué)水平的提高,生物、化學(xué)以及醫(yī)療相關(guān)器械領(lǐng)域?qū)纫笠苍诓粩嗟靥嵘?。生物制劑提取、注?化學(xué)藥品傳輸供給以及藥物治療等MEMS的研究不單單是對精密儀器的攻堅克難,更是交叉學(xué)科賦予高精密儀器研究發(fā)展的難題。技術(shù)革新便要理論創(chuàng)新,才能突破現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展的瓶頸?，F(xiàn)有的壓電超聲波霧化器理論發(fā)展已頗具成熟,產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也甚是豐富,可是由于產(chǎn)品的不斷創(chuàng)新?lián)Q代,同時也導(dǎo)致理論創(chuàng)新的不同步,致使許多創(chuàng)新產(chǎn)品缺少對應(yīng)的系統(tǒng)理論支持。本文立足微泵型壓電超聲波霧化器的研究,提出了系統(tǒng)的霧化理論、結(jié)構(gòu)仿真和霧化效果實(shí)驗(yàn)研究。 本文主要的研究內(nèi)容和成果如下: 在霧化理論分析方面,通過對霧化片金屬基片和錐孔

5、的變形公式推導(dǎo)分析,建立了微泵型壓電超聲波霧化器霧化理論數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合變形分析對其霧化機(jī)理進(jìn)行了完整的闡述。 在有限元仿真分析計算方面,通過對霧化片簡化建模,進(jìn)行了霧化片的諧響應(yīng)計算分析,得出霧化片諧響應(yīng)工作模態(tài)及其相應(yīng)振型。并結(jié)合霧化理論分析了各模態(tài)相應(yīng)霧化效果,提出霧化效果改進(jìn)意見。 在霧化效果實(shí)驗(yàn)方面,進(jìn)行多普勒激光測振實(shí)驗(yàn),與諧響應(yīng)仿真計算相互論證,提高其可行性,并通過霧化效果實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證霧化效果理論分析結(jié)果,最后結(jié)合仿真計算和多普勒激光測振結(jié)果綜合分析、總結(jié)出霧化效果的影響因素。 關(guān)鍵詞:MEMS,壓電泵,超聲波,霧化器,壓電陶瓷,振型。 本文工作在機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完

6、成。i微泵型壓電超聲波霧化器研究 ABSTRACT This research subject is derived from The National Natural Science Foundation Of China(Project number:51075201)and received support of The Academician Workstation(Project number:BM2011033)Due to improving of the level of scientific,high precision requirements are also const

7、antly upgrading in the field of biological,chemical and medical equipment.MEMS applied in biological preparation,injection,chemical transport or supply,drugs in the treatment and so on.So It respects not only the difficult of precision,but also the problems of cross discipline.Technological innovati

8、on needs theoretical innovation,in order to break through the bottleneck of the existing technology.The theory of existing piezoelectric ultrasonic atomizer has been quite mature,and its Innovative products are also very rich.But because of the constant product innovation and upgrading,he theory of

9、synchronization,causing many innovative products lack of corresponding theory support.This paper made a micro-pump piezoelectric ultrasonic nebulizer study,put forward the theory of spray system,structure simulation and experimental study on atomization effectIn this paper,the main research contents

10、 and results are as follows: In the theoretical analysis of atomization aspect,it established micro pump piezoelectric ultrasonic atomization theory mathematical model,and introduced its atomization mechanism Combine with the deformationIn the FEM simulation aspect,it made a simplified atomizer plat

11、e model,and made a calculation on harmonic response.Through the calculation,we got its response modes and corresponding vibration modes.Finally,combined with the atomization theory,analysis of atomization effect on corresponding modal.and put forward some suggestions about improvement of atomization

12、 effectIn the atomization effect experiment aspect,Launched the doppler laser vibration experiment, and argumentation the theory of spray Through comparison this experiment results with the results of harmonic response simulation.Finally,summarized the factors of atomization effectKey words:MEMS, pi

13、ezoelectric pump, atomizer, ultrasonic wave, piezoelectric ceramic, vibration modeThis paper was completed in the State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures ii南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 第一章 緒論 1 1.1 引言 1 1.1.1超聲波霧化器的分類. 2 1.1.2超聲波霧化器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2壓電泵介紹 8 1.2.1壓電泵的特點(diǎn). 8 1.2.2壓電泵的分類

14、. 9 1.3課題意義和研究內(nèi)容 10 第二章 壓電超聲霧化理論基礎(chǔ)13 2.1壓電效應(yīng). 13 2.1.1壓電陶瓷材料及其性能參數(shù) 14 2.1.2壓電振子. 18 2.2超聲霧化原理 20 2.3錐孔流阻. 21 2.4本章小結(jié). 22 第三章 微泵型壓電超聲波霧化原理. 23 3.1微泵型壓電超聲波霧化片結(jié)構(gòu). 23 3.2微泵型壓電超聲波霧化片霧化機(jī)理 26 3.2.1實(shí)驗(yàn)26 3.2.2錐孔變形分析 27 3.2.3霧化機(jī)理. 33 3.3微泵型壓電超聲波霧化片霧化理論模型建立. 34 3.4本章小結(jié). 35 第四章 霧化片振動仿真分析. 36 4.1ANSYS概述 36 4.2霧化

15、片模態(tài)與振動分析. 38 4.2.1ANSYS 建模 38 4.1.2諧響應(yīng)分析38 4.3本章小結(jié). 41 iii微泵型壓電超聲波霧化器研究 第五章 微泵型壓電超聲波霧化器實(shí)驗(yàn)研究. 42 5.1多普勒掃頻、定頻實(shí)驗(yàn). 42 5.1.1多普勒激光測振儀測振原理介紹42 5.1.2多普勒掃頻、定頻實(shí)驗(yàn). 44 5.2霧化效果實(shí)驗(yàn) 47 5.2.1霧化高度和霧化速率 47 5.2.2霧化顆粒粒徑大小50 5.3 結(jié)論56 5.4本章小結(jié). 57 第六章 結(jié)論與展望 58 6.1本文的主要工作. 58 6.2進(jìn)一步研究預(yù)想. 59 參考文獻(xiàn)61 致謝 64 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文. 6

16、5 iv南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖清單 圖 1.1 聲表面波壓電超聲波霧化原理示意圖. 3 圖 1.2 聲表面波壓電超聲波霧化器3 圖 1.3 變幅桿球式壓電超聲霧化器結(jié)構(gòu)示意圖 4 圖 1.4 變幅桿網(wǎng)孔式壓電超聲波霧化器結(jié)構(gòu)示意圖. 5 圖 1.5 變幅桿式低頻壓電超聲波霧化噴頭結(jié)構(gòu)示意圖 5 圖 1.6 各向異性硅錐孔噴射孔壓電超聲波微霧化器. 6 圖 1.7 夾心式壓電陶瓷超聲波霧化片. 6 圖 1.8 錐孔噴嘴壓電超聲波微霧化器. 7 圖 1.9 高功率壓電超聲波微霧化器工作原理和結(jié)構(gòu)示意圖. 7 圖 1.10 Hartmann共振管原理示意圖8 圖 1.11 壓電振子式有閥壓

17、電泵9 圖 1.12壓電疊堆驅(qū)動式主動閥壓電泵原理及實(shí)物圖 9 圖 1.13 四方錐形流管無閥壓電泵10 圖 1.14 “Y”形流管無閥壓電泵. 10 圖 2.1 晶體壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)示意圖 13 圖 2.2 壓電陶瓷的人工極化 14 圖 2.3 交流電路中電流電壓矢量圖 17 圖 2.4 超聲波霧化片-壓電振子結(jié)構(gòu)示意圖. 18 圖 2.5 壓電陶瓷的振動模態(tài) 19 圖 2.6 壓電振子的阻抗特性曲線. 19 圖 2.7 表面張力波的模型及表面張力波霧化模型 20 圖 2.8 聲流 21 圖 2.9 擴(kuò)散/噴嘴錐孔結(jié)構(gòu)示意圖22 圖 2.10 損失系數(shù)與錐孔角度關(guān)系曲線 22 圖 3.1

18、 微泵型壓電超聲波霧化片結(jié)構(gòu)示意 23 圖 3.2 金屬基片中心區(qū)域錐孔尺寸及其分布顯微測量. 25 圖 3.3 薄板小撓度變形. 27 圖 3.4 基板中心微錐孔結(jié)構(gòu)示意圖 28 圖 3.5 微錐孔變形示意圖. 28 v微泵型壓電超聲波霧化器研究 圖 3.617°時霧化-金屬基片向下彎曲變形 29 圖 3.717°時霧化-金屬基片向上彎曲變形 30 圖 3.817°時霧化-金屬基片向下彎曲變形 31 圖 3.917°時霧化-金屬基片向上彎曲變形 32 圖 3.1017°時微泵型壓電超聲波霧化器霧化機(jī)理示意圖 33 圖 3.1117°

19、時微泵型壓電超聲波霧化器霧化機(jī)理示意圖 34 圖 4.1 霧化片有限與網(wǎng)格劃分模型 38 圖 4.2 霧化片ANSYS諧響應(yīng)頻譜 39 圖 4.3 52.428KHz 振型39 圖 4.4 109.325KHz 振型 40 圖 4.5 115.677KHz 振型 40 圖 4.6 143.242KHz 振型 41 圖 5.1 PSV-300F-B激光測振系統(tǒng)模塊示意圖. 43 圖 5.2 微泵型超聲波霧化試片結(jié)構(gòu)示意圖 43 圖 5.3 多普勒掃頻、定頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接圖 44 圖 5.4 微泵型壓電超聲波霧化器試片掃頻曲線. 45 圖 5.5 微泵型壓電超聲波霧化器試片定頻實(shí)驗(yàn)測振結(jié)果 46 圖

20、 5.6 微泵型壓電超聲波霧化器霧化效果?霧化高度測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖 47 圖 5.7 微泵型壓電超聲波霧化器霧化高度測量系統(tǒng)實(shí)物圖47 圖 5.8 微泵型壓電超聲波霧化器霧化效果?霧化高度/頻率曲線圖48 圖 5.9 微泵型壓電超聲波霧化器試片霧化速率實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物示意圖. 48 圖 5.10共振頻率處霧化高度變化散點(diǎn)圖 49 圖 5.11共振頻率處霧化速率變化散點(diǎn)圖 49 圖 5.12 霧化顆粒粒徑測量實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)部分實(shí)物圖 50 圖 5.13 霧化霧滴粒徑測量統(tǒng)計和分析結(jié)果. 53 圖 5.14 114.4KHz 驅(qū)動頻率下霧化霧滴粒徑-驅(qū)動電壓關(guān)系散點(diǎn)圖. 53 圖 5.15 120v驅(qū)

21、動電壓下霧化顆粒粒徑與共振頻率關(guān)系研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 55 圖 5.16 120v驅(qū)動電壓下霧化霧滴粒徑-共振頻率關(guān)系散點(diǎn)圖 55vi南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 表清單 表 2.1 常用壓電陶瓷主要特性及應(yīng)用18 表 3.1 試片結(jié)構(gòu)尺寸. 26 表 4.1 試片材料和幾何參數(shù). 38 表 5.1 霧化效果實(shí)驗(yàn)試片結(jié)構(gòu)尺寸. 44vii微泵型壓電超聲波霧化器研究 注釋表 相對介電常數(shù) 電位移矢量D tg 介質(zhì)損耗角正切值 E 外加電場 Q機(jī)械品質(zhì)因數(shù) 反諧振頻率f mak 機(jī)電耦合系數(shù) 聲表面波輻射角Rd 壓電應(yīng)變常數(shù) 聲表面波在液滴中的傳播速度Wd 壓電常數(shù) 聲表面波在壓電基底中的傳播速 33

22、 RT居里溫度 霧滴直徑 DcN頻率常數(shù) 液體表面張力系數(shù) T1應(yīng)力 液體密度 TfS 應(yīng)變 諧振頻率 R R f振子諧振時的等效電阻 聲波頻率 1 C 、 振子的靜電容 擴(kuò)散、噴嘴錐孔流阻系數(shù)0 dn C VV 、振子的等效電容 錐孔上、下半部分錐孔容積變化1 上 下''VV 、dd 、 上止點(diǎn)錐孔上、下直徑 錐孔上、下半部分錐孔容積下 下12'' ''dd 、 下止點(diǎn)錐孔上、下直徑 ?V 錐孔振動容積變化12dd 、 錐孔上、下直徑 錐角變小角度值 上12?t 金屬薄膜厚度 錐角變大角度值下D50 顆粒累積分布為 50%的粒徑 D90 顆粒累

23、積分布為 90%的粒徑Dav 顆粒群的平均粒徑 S/V 單位體積顆粒的表面積D3,2 表面積平均粒徑 D4,3 體積平均粒徑viii南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1.1 引言 霧化是指將液體分散、撞擊形成不連續(xù)的液滴混于周圍氣流的現(xiàn)象。液體屬于流體的一種,而流體包括液體和氣體,人類的生產(chǎn)、生活均離不開流體。最常見的液體是水,最常見的氣體是空氣,人類每分每秒都離不開水和空氣。因此,對水和空氣的利用方面的科學(xué)研究一直探索不止,加之對于當(dāng)今的都市化生活對于環(huán)境質(zhì)量、生活品質(zhì)問題等的重視,霧化的研究更是取得了不少的進(jìn)步和成果。 通常我們將把液體霧化的機(jī)械結(jié)構(gòu)稱為霧化器,霧化器屬于流體機(jī)械

24、范疇。流體機(jī)械是人類發(fā)明的最早的機(jī)械之一,也是目前應(yīng)用最廣泛的機(jī)械之一,這是由于人類本身和周圍的流體產(chǎn)生聯(lián)系主要是通過流體機(jī)械。隨著人類生產(chǎn)和生活的范圍加大,流體機(jī)械會不斷發(fā)展,新的流體機(jī)械會不斷出現(xiàn),從能量的觀點(diǎn)來說,流體機(jī)械可以分成兩類,一種是利用流體的能量對流體機(jī)械做功,例如水輪機(jī)利用水能,汽輪機(jī)利用蒸汽的能量帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電,燃?xì)廨啓C(jī)利用燃?xì)獾哪芰?、噴氣發(fā)動機(jī)利用燃?xì)獾哪芰刻峁﹦恿?也稱為流體動力機(jī)械;另一種是通過流體機(jī)械把原動機(jī)的能量傳遞給流體,使流體大的能量提高,霧化器就是這類機(jī)械,霧化器就是利用機(jī)械能使連續(xù)的離散成細(xì)小液滴的一種流體機(jī)械。 利用流體機(jī)械將液體霧化的方法主要有壓力霧化

25、,旋轉(zhuǎn)霧化,氣流霧化及超聲波霧化1-4等 。壓力霧化是指通過壓力改變液體動能使液體霧化的一種方法,這種霧化方法廣泛運(yùn)用于發(fā)動機(jī)燃料油的霧化燃燒等;旋轉(zhuǎn)霧化是指液體通過高速旋轉(zhuǎn)的圓盤或具有徑向孔的甩油盤甩出霧化,這種霧化方法適用于小型航空渦輪發(fā)動機(jī)燃油,或粘性大且含雜質(zhì)的燃料等流體的霧化;氣流霧化是指通過一股外加氣流空氣或蒸汽來使流體霧化,主要應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)、動力鍋爐等使用質(zhì)量、粘性較大燃油的動力裝置,航空渦輪發(fā)動機(jī)在60年代后期也開始采用這種霧化以減少冒煙等污染,由于它利用燃燒室進(jìn)入的氣流來霧化燃油,因此也被稱為空氣霧化;超聲波霧化是指超聲波霧化是利用電子高頻震蕩,通過陶瓷霧化片的高頻諧振,再

26、結(jié)合一定的霧化器結(jié)構(gòu)將流體變成離散的霧滴顆粒的過程。由于超聲霧化產(chǎn)生的霧滴顆粒均勻、粒徑小,結(jié)構(gòu)簡單,加工成本低,方便實(shí)用,一般被應(yīng)用于室內(nèi)加濕、醫(yī)療吸入治療和工業(yè)應(yīng)用等方面。 然而,為了使霧化效果適當(dāng)提高,滿足霧化要求,我們經(jīng)常還會采用多種霧化方式結(jié)合設(shè)計霧化器,如在旋轉(zhuǎn)霧化方法的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步采用壓力霧化方法對連續(xù)流體進(jìn)行霧化。但是采用壓力霧化,旋轉(zhuǎn)霧化和氣流霧化方法的霧化器一般都帶有特殊設(shè)計的噴嘴,體1微泵型壓電超聲波霧化器研究 積較大,霧化效果差,霧化顆粒大,且不均勻,一般多適用于大量液體的霧化,很難廣泛的運(yùn)用于精密儀器。相反,超聲霧化器結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、霧化效果好且霧化精度高等優(yōu)點(diǎn)

27、彌補(bǔ)了其他霧化方法很難滿足精密儀器霧化效果要求高的不足,從而得以廣泛運(yùn)用于醫(yī)療器械、生物技術(shù)以及家用加濕器等領(lǐng)域。同時,超聲霧化技術(shù)的運(yùn)用,對皮膚科、支氣管炎等疾病的治療也開創(chuàng)性的提出了全新的方法。例如支氣管炎可以使用醫(yī)用的霧化器(比家用的霧化器噴出的霧滴更小,易于進(jìn)入小的氣道而發(fā)揮作用)霧化吸入治療,將治療支氣管炎的藥物直接霧化吸入呼吸道,治療方法方便簡潔,效果好,成本低。 1.1.1 超聲波霧化器的分類 5超聲波霧化器按能量來源分為兩種類型,分別是電聲轉(zhuǎn)換型和流體動力型 。 電聲轉(zhuǎn)換型是將電信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動,然后由機(jī)械振動產(chǎn)生聲波按照其頻率的不同可以分為低頻和高頻等多種應(yīng)用裝置。低頻應(yīng)用

28、裝置,超聲頻率為 20100kHz,常常用于燃料油燃燒器的改進(jìn),金屬粉末的產(chǎn)生等方面。高頻超聲霧化的頻率范圍在 0.85MHz 之間,可用于醫(yī)療、加濕等方面。電聲轉(zhuǎn)換型的超聲霧化器按換能器主要可分為兩種形式:一種是采用磁致伸縮換能器可以在其輻射面形成霧滴,該換能器所需功率較大,一般在使用時在換能器輻射端連接一個變幅桿,使其更易于產(chǎn)生霧滴。當(dāng)液體流經(jīng)變幅桿表面時,薄液層在超聲波的作用下震動,當(dāng)此振動導(dǎo)致的振幅大于某值時,液體表面將有霧滴飛濺出;另一種是利用壓電晶片作為換能器,該換能器可產(chǎn)生兆赫級的超聲波,通過薄透聲膜輻射到液體中,從而使得液體表面處形成大量小霧滴,實(shí)現(xiàn)液體的霧化。 流體動力型超聲

29、波霧化器是通過用高速氣體或液體激發(fā)共振腔而產(chǎn)生超聲,其頻率主要由共振腔的尺寸決定,一般選用的頻率較低。霧滴尺寸與液流速率、壓力、噴嘴大小和共振腔的位置等因素相關(guān)。 1.1.2 超聲波霧化器的國內(nèi)外發(fā) 展現(xiàn)狀 (一)電聲轉(zhuǎn)換型超聲波霧化器 電聲轉(zhuǎn)換型超聲波霧化器主要有聲表面張力波、變幅桿增幅和錐孔噴嘴三種類型。 (1)聲表面張力波型 1965年,美國的Whiterm和Voltmerf提出了一種能在壓電基底表面激勵產(chǎn)生聲表面波的叉6指結(jié)構(gòu) ,該結(jié)構(gòu)在交流電壓的激勵下,沿壓電基底淺表層傳播的一種機(jī)械波,稱為聲表面張力波,該聲表面張力波具有能量集中的優(yōu)點(diǎn)。正是由于該結(jié)構(gòu)和聲表面張力波的提出,才使得聲表

30、面波得到長足的發(fā)展。當(dāng)聲表面波傳播經(jīng)過流體時,則會以漏聲表面波的形式向流體輻射能量,且漏聲表面波輻射角 為: R2南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 -1 sin / R W R式中: 表面波在液體中的傳播速度; 聲表面波在壓電基底中的傳播速。 W R當(dāng)叉指換能器在低功率的驅(qū)動下,流體在聲表面波輻射的漏聲表面波作用下產(chǎn)生流動或者振動,有些專家學(xué)者們依據(jù)這種效應(yīng)研發(fā)出了相應(yīng)功能的微混合器和微集聚器。當(dāng)驅(qū)動功率逐漸增大時,表面聲波像液體輻射的漏聲表面波的能量也逐漸增大,致使流體產(chǎn)生流動甚至霧化。如圖1.1所示為聲表面波霧化原理,即當(dāng)驅(qū)動功率增加到一定時,聲表面波向液滴輻射的能量會在液滴表面形成表面張力波

31、,該表面張力波作用于液體,使得連續(xù)的液體突破表面張力,從而實(shí)現(xiàn)了對液體的霧化。z霧化顆粒 表面張 R力波 聲表面波 液滴 叉指換能器 x 壓電基底圖1.1 聲表面波壓電超聲波霧化原理示意圖 2009年,清華大學(xué)張冠等人基于Whiterm和Voltmerf提出的在壓電基底表面激勵產(chǎn)生聲表7-8面波的叉指結(jié)構(gòu),研究并設(shè)計的一種聲表面波霧化器結(jié)構(gòu) ,如圖1.2所示。該聲表面波在方形壓電基底四個方向分別設(shè)計一個叉指,叉指在壓電基底超聲振動時分別產(chǎn)生的聲表面波在方形壓電基底中心匯集,輻射出來的漏聲表面波能量更強(qiáng),霧化效果更佳。除這種霧化效果加強(qiáng)的聲表面波霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計之外,他們還利用對液滴驅(qū)動速度的測定

32、得出了該霧化器的實(shí)際中心頻率,并指出實(shí)際中心頻率與理論值存在差異的原因。得出霧化微粒直徑與叉指結(jié)構(gòu)周期之間的關(guān)系,并計算得出在施加驅(qū)動頻率為10.1MHz、功率為24W的電信號時,其霧化顆粒直徑為2.61?m,霧化速度達(dá)到了1?L/s。圖1.2 聲表面波壓電超聲波霧化器3微泵型壓電超聲波霧化器研究 (2)變幅桿增幅型 2002年,立陶宛維爾紐斯師范大學(xué)Prof.hab和Dr.Piotr Vasiljev利用壓電換能器結(jié)合變幅桿振幅放大結(jié)構(gòu)以及具有一定預(yù)壓力的球形金屬球結(jié)構(gòu),設(shè)計的一種變幅桿增幅型超聲波霧化器。變幅桿由于壓電基底的振動而產(chǎn)生一個向上運(yùn)動的縱向行波,從而帶動連續(xù)的液體向上傳輸至霧化

33、端口,連續(xù)的液體在端表面的較大振幅的超聲振動波和一定預(yù)壓力的圓形金屬球結(jié)構(gòu)作用下實(shí)現(xiàn)霧化,其結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。1.Transducer;2.Piezoelements;3.Overlay; 4.Groove;5.BallSpring;6,7.Tubes圖1.3 變幅桿球式壓電超聲霧化器結(jié)構(gòu)示意圖 92007年,東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院朱寅和陳云飛利用研究的變幅桿網(wǎng)孔式霧化器 ,由網(wǎng)孔板和帶變幅桿的超聲波換能器組成,如圖1.4所示。超聲波換能器由壓電陶瓷和變幅桿粘接而成,換能器變幅桿浸入液體中,壓電陶瓷在驅(qū)動交流電壓激勵下產(chǎn)生高頻振動,微小的高頻振動經(jīng)變幅桿進(jìn)行放大,經(jīng)放大的振動推動液體從置于上方

34、的網(wǎng)孔板的小孔中擠出,從而實(shí)現(xiàn)霧化。其特點(diǎn)是:霧化器工作在諧振點(diǎn),壓電換能器的振動幅值最大,因而噴孔處的壓力幅值也最大,液滴最容易形成;噴孔直徑越小,霧滴直徑和速度越小;驅(qū)動電壓越小,諧振頻率越高,霧滴直徑和速度越小。 4南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 霧滴 網(wǎng)孔板 密封圈 變幅桿 換能器 壓電陶瓷圖 1.4 變幅桿網(wǎng)孔式壓電超聲波霧化器結(jié)構(gòu)示意圖 102008年,江蘇大學(xué)的高建民和任寧等人利用壓電換能器和變幅桿振幅放大結(jié)構(gòu) ,研究的低頻超聲霧化噴頭超聲波霧化器,如圖1.5所示。它主要是將傳統(tǒng)的變幅桿結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化,然后進(jìn)行優(yōu)化,降低工作頻率(驅(qū)動頻率在20100KHz),進(jìn)一步細(xì)化了霧滴顆粒,

35、并增大了霧化量。但本質(zhì)與立陶宛維爾紐斯師范大學(xué)的Prof.hab和Dr.Piotr Vasiljev研究的壓電變幅桿球式超聲霧化器異曲同工,變幅桿由于壓電基底的振動而產(chǎn)生一個向右運(yùn)動的橫向行波,從而帶動連續(xù)的液體向右傳輸至霧化端口,連續(xù)的液體在端表面的較大振幅的超聲振動波作用下實(shí)現(xiàn)霧化。 輸入電壓 壓電圓片放大轉(zhuǎn)換流道霧化面波峰 波谷 波峰圖 1.5 變幅桿式低頻壓電超聲波霧化噴頭結(jié)構(gòu)示意圖 (3)錐孔噴嘴型 2005年,美國佐治亞理工學(xué)院/.cham和/.ady等學(xué)者利用高速攝像機(jī)研究設(shè)計11-12的錐形孔噴嘴微霧化器 。主要由驅(qū)動電源、壓電振子和噴孔膜成,如圖1.6所示。壓電振子與噴孔膜構(gòu)

36、成一液體腔,為微噴頭部分。當(dāng)在壓電換能器的壓電基底上施加一定頻率的交流驅(qū)動電壓時,壓電基底的壓電效應(yīng)使微噴頭發(fā)生振動,微噴頭在振動過程中,液體腔體積會發(fā)5微泵型壓電超聲波霧化器研究 生改變,繼而腔內(nèi)壓強(qiáng)也隨之發(fā)生變化,當(dāng)腔內(nèi)壓力足夠大時,將使腔內(nèi)的液體從噴嘴面上的微噴孔噴出,從而實(shí)現(xiàn)霧化。使該新型結(jié)構(gòu)超聲波霧化器特點(diǎn):工作頻頻范圍在15MHz,霧化顆粒直徑為510?m顆粒均勻性更佳,且大小可控。圖 1.6 各向異性硅錐孔噴射孔壓電超聲波微霧化器 132007年,方響華、潘鐵政設(shè)計發(fā)明了夾心式壓電陶瓷超聲霧化片 ,其結(jié)構(gòu)如圖1.7所示,其闡述的工作原理與美國佐治亞理工學(xué)院/.cham和/.ady

37、等學(xué)者研究設(shè)計的錐形孔噴嘴微霧化器異曲同工,但是不同的是其結(jié)構(gòu)更簡單,成本低。該霧化器采用微錐孔腔結(jié)構(gòu),利用兩相交流電對上下壓電陶瓷環(huán)進(jìn)行驅(qū)動,從而激勵中間金屬薄膜的徑向伸縮振動或者軸向彎曲振動,在金屬薄膜的超聲振動下,實(shí)現(xiàn)流體的霧化,本專利主要是以激發(fā)的振動形式為重點(diǎn)進(jìn)行闡述,而對于其霧化機(jī)理并沒有進(jìn)行詳細(xì)的闡述。 錐孔群圖1.7 夾心式壓電陶瓷超聲波霧化片 14-152008年,清華大學(xué)的楊明偉和周兆英等人設(shè)計的壓電微霧化器系統(tǒng) ,如圖1.8所示。其結(jié)構(gòu)和原理與美國佐治亞理工學(xué)院/.cham和/.ady等學(xué)者設(shè)計的錐孔噴嘴型超聲波霧化器基本相同。不同的是,該超聲波霧化器噴孔膜上各個錐孔噴嘴

38、處設(shè)計了尺寸更小的通6南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 孔群。除此之外,楊明偉和周兆英等人還針對微霧化器存在的多能域耦合問題進(jìn)行了仿真計算和分析,主要是利用仿真計算軟件建立壓電微霧化器的固-液-聲耦合模型,對其特性進(jìn)行數(shù)值計算,并通過改變壓電振子結(jié)構(gòu)參數(shù),分析壓電振子的耦合性能,從而得到壓電振子結(jié)構(gòu)參數(shù)對于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動、聲壓力波特性的影響規(guī)律。圖1.8 錐孔噴嘴壓電超聲波微霧化器 162009年,臺灣學(xué)者Sheng Chih Shen和Yu Jen Wang研究設(shè)計的高功率微霧化器 ,如圖1.9(1)所示,為其結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。目前,微霧化器分為一級和二級振動裝置如圖1.9(2)所示。一級的

39、振動裝置,見圖1.9(2)(a),采用微型泵的概念,是一個由帶有1000口的板和環(huán)形壓電元件組成的氣霧劑發(fā)生器?？装迨怯森h(huán)型壓電材料驅(qū)動能產(chǎn)生微米級上4下運(yùn)動,從而擠出的液滴和產(chǎn)生氣霧劑。二級振動裝置,見圖1.8(2)(b),采用直徑約3微米,多達(dá)6000個微噴嘴孔板。壓電陶瓷粘貼在傳感器喇叭下誘導(dǎo)微噴嘴板振動,從而通過孔擠壓出流體和生成的氣霧劑。 Fluid tank Electrical circuit Fluiddroplets batteries Miro nozzle plate Piezoelectric aerosol actuator(1)高功率壓電超聲波微霧化器結(jié)構(gòu)示意圖 n

40、ozzle plate Liquidreservoir vibrations Piezoelectric ceramicaFirsthandAeroneb Pro bSecondhand Omron NE-U22 (2)高功率微霧化器兩級振動裝置結(jié)構(gòu)圖 圖 1.9 高功率壓電超聲波微霧化器工作原理和結(jié)構(gòu)示意圖7微泵型壓電超聲波霧化器研究 (二)流體動力型超聲波霧化器 17流體動力型超聲波霧化器 是通過用高速氣體或液體激發(fā)共振腔而產(chǎn)生超聲,其頻率主要由共振腔的尺寸決定,一般選用的頻率較低。霧滴尺寸與液流速率、壓力、噴嘴大小和共振腔的位置等因素相關(guān)。它是一種能在流場中產(chǎn)生高頻振動的裝置,簡稱為 H

41、artmann共振管,其原理是將一個一端封閉的圓管的開口端正對來流方向放置在一股高速射流中,氣流中將產(chǎn)生高頻振動并向下游傳播,見圖 1.10。 噴嘴 共振管圖1.10 Hartmann共振管原理示意圖 除以上所提到的類型之外,其實(shí)還有許多不同結(jié)構(gòu)類型的超聲波霧化器,如利用空化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)霧化的壓電超聲霧化器,它與方響華,潘鐵政設(shè)計發(fā)明的超聲波霧化器結(jié)構(gòu)看似相同,本質(zhì)卻相差很大。它是利用壓電結(jié)構(gòu)的超聲振動在流體表面產(chǎn)生空化區(qū)域,并沒有采用錐孔噴嘴,在高頻作用下實(shí)現(xiàn)霧化的一種超聲波霧化器。該類型超聲波霧化器霧化原理即為下文所介紹的微激波理論空化效應(yīng)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)更為簡單,成本更為低廉,霧化量較大,使用

42、壽命相對也較長,但也有霧化顆粒大,且不均勻,可控性較差。 1.2 壓電泵介紹 本文立足于錐孔噴嘴超聲波霧化器,試圖采用壓電泵原理來解釋其霧化本質(zhì),并進(jìn)行理論分析。所以,下文將對壓電泵作個簡要介紹,為分析霧化器上霧化錐孔周期振動成泵理論作好鋪墊,也為更好、更形象的理解微泵型壓電超聲波霧化器霧化理論打好基礎(chǔ)。 1.2.1 壓電泵的特點(diǎn) 壓電泵便是近年來新研究發(fā)明的一種流體泵。一方面,與傳統(tǒng)泵相比,由于壓電泵具有自驅(qū)動功能,能夠把執(zhí)行器與驅(qū)動器兼具于一體,所以克服了流體泵內(nèi)運(yùn)動部件做相對運(yùn)動所附帶的流體泄漏、壓力損失、磨損等缺點(diǎn)。另一方面,壓電泵的主要能量輸入是采用了具有壓電效應(yīng)的壓電材料,通過利用

43、壓電材料設(shè)計出壓電振子,根據(jù)壓電材料逆壓電效應(yīng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,由于壓電泵所使用的壓電驅(qū)動器在驅(qū)動電信號發(fā)生變化時,壓電驅(qū)動器能夠做出及時、準(zhǔn)確的反應(yīng),所以壓電泵還具有響應(yīng)迅速并且可以通過調(diào)節(jié)電壓或頻率來控制輸出流量與壓力。 壓電泵是集驅(qū)動部件、工作部件和控制部件于一體的便于集成的微型泵,具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、體積小、無噪音、無污染等優(yōu)點(diǎn),因此可廣泛應(yīng)用于航空航天器、機(jī)器人、汽8南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 車、醫(yī)療器械、微機(jī)電系統(tǒng)等方面,它高效、節(jié)能、環(huán)保,將促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革命,積極推動工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的形成和發(fā)展,社會及經(jīng)濟(jì)效益極其顯著。未來壓電泵發(fā)展方向主要包括兩個方面,一方面是研究高壓、

44、大流量的壓電泵,這種泵體積一般較大,可以用于對大量液體供給傳輸方面的設(shè)備裝置等;另一方面是研制微小化、結(jié)構(gòu)簡單、低能耗、高輸出精度的壓電泵,可以進(jìn)行微機(jī)電系統(tǒng)的集成和合裝應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)的散熱、供給、傳輸?shù)取?1.2.2 壓電泵的分類 壓電泵根據(jù)不同的原理和結(jié)構(gòu)可以分成很多種類,根據(jù)采用的驅(qū)動器可分為壓電晶片式壓電泵和壓電疊堆式壓電泵;按泵腔的形式可以分為單腔體和多腔體壓電泵;從泵級聯(lián)形式可以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型壓電泵;根據(jù)壓電振子的換能方式,可以分為壓電薄膜泵和壓電超聲泵。壓電薄膜泵是利用壓電振子的機(jī)械變形來改變泵腔體積,通過閥或者流阻差部件對流體流動的作用,使泵中的流體產(chǎn)生單向流動;壓電超聲泵

45、主要是利用壓電振子在驅(qū)動信號下產(chǎn)生的超聲波對流體的蠕動式的驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)流體的單向流動,不需要閥體結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)泵的功能。圖 1.11 壓電振子式有閥壓電泵圖1.12壓電疊堆驅(qū)動式主動閥壓電泵原理及實(shí)物圖 9微泵型壓電超聲波霧化器研究 本文著重介紹下壓電薄膜泵,壓電薄膜泵根據(jù)驅(qū)動元件分為壓電片驅(qū)動式泵和壓電疊堆驅(qū)動式泵;根據(jù)有無閥體結(jié)構(gòu)分為有閥壓電泵和無閥壓電泵,如圖 1.9、1.10 和圖 1.11 所示結(jié)18-20構(gòu)壓電泵 ;其中有閥壓電泵根據(jù)閥體的控制方法又可以分成主動閥式和被動閥式壓電泵,如圖 1.10 和圖 1.9 所示結(jié)構(gòu)壓電泵;無閥壓電泵根據(jù)流阻差結(jié)構(gòu)又可分為錐型管無閥壓21-24電泵

46、、異型管類無閥壓電泵等,如圖1.11 和圖1.12結(jié)構(gòu)所示壓電泵 。圖 1.13 四方錐形流管無閥壓電泵圖 1.14 “Y”形流管無閥壓電泵 1.3 課題意義和 研究 內(nèi)容 超聲霧化現(xiàn)象自 1927 年被發(fā)現(xiàn)才逐漸被關(guān)注,由于利用超聲波制取的霧滴具有尺寸可選、分布均勻、流量可控的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被應(yīng)用于各個領(lǐng)域。目前,由于超聲波霧化器結(jié)構(gòu)簡單,霧化效果好。超聲霧化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于空氣加濕、霧化治療、半導(dǎo)體刻蝕、電子產(chǎn)品鹽霧試驗(yàn)以及光譜分析儀器樣品引入等方面,另外在工業(yè)上也可制備電子陶瓷薄膜和半導(dǎo)體、光學(xué)材料、貴金屬及其他材料。所以,超聲波霧化在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及家用等領(lǐng)域都得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用。

47、 雖然超聲霧化技術(shù)已經(jīng)很成熟,對其霧化效果的穩(wěn)定性,即霧化效果的可控性仍存在不少拯待解決的問題,如霧化顆粒的細(xì)小化,均勻性。因此,為了進(jìn)一步提高霧化效果,有些專家10南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 學(xué)者提出了錐孔噴嘴結(jié)構(gòu)超聲波霧化器,如方響華,潘鐵政設(shè)計發(fā)明了夾心式壓電陶瓷超聲霧化片專利,對于解決霧化效果的可控性有了明顯的提高。但是對其霧化原理,尤其是霧化理論方面的研究卻并不系統(tǒng)和完整,解釋的很是模糊,籠統(tǒng)。本文立足于這類帶錐孔超聲波霧化器,將開創(chuàng)性、系統(tǒng)性的闡述該類微壓電泵型超聲波霧化器霧化原理,并在這種霧化機(jī)理基礎(chǔ)之下建立其霧化理論模型,再結(jié)合仿真分析、測振實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)霧化效果實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證研

48、究,解決目前該類超聲波霧化器研究上的空白,為以后該類型超聲波霧化器的研究提供理論指導(dǎo)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)參考。 本文的研究內(nèi)容包括: 第一章 緒論。概述了超聲波霧化器和壓電泵的功能、特點(diǎn)、分類以及相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,其次對于目前超聲波霧化器以及新型微泵型結(jié)構(gòu)超聲波霧化器的研究進(jìn)行了介紹。總結(jié)出各種類型超聲霧化器的優(yōu)缺點(diǎn),按超聲波霧化器的發(fā)展展開論述,并結(jié)合實(shí)例引證,最后提出本文研究問題,結(jié)合實(shí)際指出本課題開展的意義和目的,創(chuàng)新性的提出微泵型結(jié)構(gòu)超聲波霧化片霧化機(jī)理、霧化理論,作出系統(tǒng)、全面的闡述和研究,為今后在該類型的霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計和實(shí)驗(yàn)研究方面提供理論指導(dǎo)和參考。 第二章 對壓電超聲波霧化的理論基

49、礎(chǔ)進(jìn)行了總結(jié)。首先,對壓電效應(yīng)理論歸納總結(jié),并探討了壓電作動器元件的主要幾個技術(shù)問題,如壓電陶瓷材料及其性能參數(shù)、壓電振子結(jié)構(gòu)的分析和研究等;其次,以激波和表面張力波霧化展開超聲波霧化理論介紹;最后,介紹了錐孔流阻問題,并在壓電技術(shù)理論基礎(chǔ)上,提出微泵型超聲波霧化理論的相關(guān)技術(shù)理論問題。 第三章 本章主要介紹了本文研究的微泵型壓電霧化片結(jié)構(gòu)、霧化機(jī)理和霧化數(shù)學(xué)模型。首先,霧化片結(jié)構(gòu)介紹包括微泵型壓電霧化片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、要求以及其結(jié)構(gòu)尺寸等,并依據(jù)其結(jié)構(gòu)尺寸計算并通過驗(yàn)證了錐孔流阻臨界錐角問題,并且用實(shí)驗(yàn)排除論證了本文即將研究的動錐角微泵型霧化理論;其次,依據(jù)錐孔變形,從理論上研究總結(jié)了微泵型壓電霧

50、化片霧化機(jī)理,基于霧化片金屬基片的變形和錐孔流阻特性,在變形周期內(nèi)探討霧化泵吸水、排水行程;最后,在動錐孔變形分析的研究前提下,提出了行程周期霧化片霧化量數(shù)學(xué)模型,并以此作為該類霧化器霧化顆粒大小設(shè)計的參考模型。 第四章 本章主要是利用 ANSYS 軟件對本文所研究的霧化片進(jìn)行建模、模態(tài)以及諧響應(yīng)分析和計算。先對 ANSYS 仿真計算軟件進(jìn)行了簡單的介紹,主要從其應(yīng)用領(lǐng)域和解決問題方面介紹,有針對性的運(yùn)用該軟件解決實(shí)際工程問題。然后有針對性的利用該軟件對霧化器簡化建模、網(wǎng)格劃分、分析計算、得出結(jié)果,最后結(jié)合理論進(jìn)行分析總結(jié)。 第五章 本章內(nèi)容主要是圍繞微泵型壓電霧化器霧化效果實(shí)驗(yàn)開展。霧化效果

51、實(shí)驗(yàn)主要包括多普勒激光測振實(shí)驗(yàn)和霧化效果實(shí)驗(yàn)兩部分。多普勒激光測振實(shí)驗(yàn)主要為掃頻和定頻實(shí)驗(yàn),掃頻實(shí)驗(yàn)是用來找出超聲霧化片超聲振動的多個共振頻率,再經(jīng)定頻實(shí)驗(yàn),即測量每個共振頻11微泵型壓電超聲波霧化器研究 率下霧化片的振動參數(shù),通過參數(shù)分析對比找出最佳共振頻率。霧化效果實(shí)驗(yàn)主要分為霧化高度、霧化量和霧化顆粒大小測量實(shí)驗(yàn)。通過霧化效果實(shí)驗(yàn)來分析、論證微泵型壓電超聲波霧化片多普勒測振分析結(jié)果和霧化機(jī)理,并為微泵型壓電超聲波霧化器的設(shè)計提供切實(shí)可行的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)參考。 第六章 結(jié)論。對碩士期間開展課題工作進(jìn)行總結(jié),并指出課題進(jìn)一步研究的方向。 12南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 壓電超聲霧化理論基礎(chǔ) 壓電霧化,顧名思義,即是利用逆壓電效應(yīng),將電能轉(zhuǎn)換成流體機(jī)械的機(jī)械動能,再利用流體機(jī)械的特性轉(zhuǎn)換成流體的動能,從而使流體動能達(dá)到一定條件后實(shí)現(xiàn)的霧化。本章節(jié)主要討論分為三部分:逆壓電效應(yīng)、超聲霧化原理和錐孔流阻。逆壓電效應(yīng)主要是針對壓電材料特有的的力學(xué)和電學(xué)性能展開分析和介紹;霧化原理主要是以傳統(tǒng)霧化理論,即波理論和噴泉霧化理論,進(jìn)行介紹和理解;最后,結(jié)合本文研究方向,介紹微泵壓電超聲波霧化理論關(guān)鍵?錐孔流阻問題,探討微泵霧化理論的理論支撐。 2.1 壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)是