压电泵是微小流体泵的一个重要分支,具有反应快、功耗低、结构上易于实现微小化与集成化等优点,在药物静脉注射及仿生水下推进等领域都得到了应用。压电泵的输出流量除了受外部驱动信号的幅值和频率影响外,单向截止阀的工作性能、压电泵的结构参数都直接影响压电泵的工作状态,导致压电泵输出流量不精确。在精密流体输送系统中,需要附加测量或传感设备进行实时监控。导致压电泵系统的体积增大、质量增加,也提高了使用成本,严重地阻碍了压电泵在微流体传输系统及其产品中的应用。本文结合教育部高等学校科技创新工程重大项目培育资金项目《驱动测试控制功能一体化新型压电驱动机构研究》(项目编号:708028)及国家自然科学基金项目《自感知/自激励压电泵的研究》(项目编号:51205366),开展自感知压电泵的研究工作。以研发单振子自感知压电泵为目标,将压电材料的正、逆压电效应相结合实现流体的驱动,以及流体的输出压力、输出流量的自感知。开展自感知压电晶片的振动分析、单振子自感知压电泵的理论研究、流体仿真、设计加工、试验验证、控制系统设计等方面的研究工作。具体研究内容如下:1、自感知压电晶片的振动分析自感知压电晶片是单振子自感知压电泵的驱动器,同时也是输出流量及输出压力自感知的传感器。基于板壳理论,对自感知压电晶片在外加电场作用下的振动变形挠度进行理论分析,推导自感知压电晶片在外加电场下的变形挠度公式。根据弹性力学和压电学理论,研究在外加电场作用下驱动电压与感知电压之间的关系,分析利用自感知压电晶片实现自感知的可行性。对自感知压电晶片进行试验测试,研究自感知压电晶片的变形挠度与外部驱动电压之间的关系,研究感知压电晶片的感知电压与驱动压电晶片变形挠度之间的关系,验证理论分析的结果。2、单振子单腔体自感知压电泵的设计建立单振子单腔体自感知压电泵的动力学模型,研究单振子单腔体自感知压电泵工作过程中自感知压电晶片的位移、单向截止阀的开度的影响因素,并进行理论分析,保证单振子单腔体自感知压电泵的泵腔体积变化量与输出流量之间呈一定的函数关系。设计单振子单腔体自感知压电泵的泵腔高度,并使用STAR-CCM+软件对泵腔结构形式进行仿真分析,研究泵腔高度、结构形式对单振子单腔体自感知压电泵输出性能的影响。根据单振子单腔体自感知压电泵的性能需求,选择适用的单向截止阀,设计单向截止阀的固定结构及参数,研究入口单向截止阀及出口单向截止阀在单振子单腔体自感知压电泵中的工作关系,并进行匹配设计。3、单振子单腔体自感知压电泵的输出性能测试搭建单振子单腔体自感知压电泵的试验测试系统,研制单振子单腔体自感知压电泵的试验样机,对单振子单腔体自感知压电泵的输出性能进行试验测试,同时测试感知压电晶片的感知电压的变化规律。研究单振子单腔体自感知压电泵的感知电压与输出性能之间的关系,验证单振子单腔体自感知压电泵实现输出性能自感知的可行性。4、单振子双作用自感知压电泵的设计及验证研究通过改变单振子单腔体自感知压电泵的结构形式,设计单振子双作用自感知压电泵,提升了单振子单腔体自感知压电泵的输出性能。分析单振子双作用自感知压电泵的工作原理,并使用STAR-CCM+软件对单振子双作用自感知压电泵内流体的流动状态进行仿真分析。研制单振子双作用自感知压电泵的试验样机,测试单振子双作用自感知压电泵输出性能,研究单振子双作用自感知压电泵的感知电压与输出性能之间的关系,提升了单振子单腔体自感知压电泵的输出性能。5、单振子自感知压电泵的控制系统设计研制单振子自感知压电泵的控制系统,设计单振子自感知压电泵控制系统的硬件和操作软件,实现对单振子单腔体自感知压电泵、单振子双作用自感知压电泵的输出流量、输出压力的实时显示和流量控制。进行单振子自感知压电泵的输出精度测试,证明单振子自感知压电泵实现了输出性能自感知,且具有一定的输出精度。本文研制了单振子自感知压电泵,并对单振子自感知压电泵的输出性能进行了深入研究。研究工作包括自感知压电晶片的振动分析、单振子自感知压电泵的结构参数设计及试验验证、单振子双作用自感知压电泵的设计及验证、单振子自感知压电泵的控制系统设计等。本文涉及到压电学、机械系统振动学、板壳理论、嵌入式系统开发等多门学科交叉。研究成果为压电泵的输出性能检测及控制提供了新的思路,拓宽了压电泵的应用范围,对相近流体驱动装置的研制及开发具有借鉴及参考意义。