實(shí)驗(yàn)名稱：高壓放大器基于集成壓電微泵一體式熱沉驅(qū)動(dòng)性能研究

研究方向：一體式熱沉的驅(qū)動(dòng)性能

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

設(shè)計(jì)搭建了一體式熱沉驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試平臺(tái)，重點(diǎn)測(cè)試了驅(qū)動(dòng)參數(shù)、裝配結(jié)構(gòu)參數(shù)、腔體換熱結(jié)構(gòu)三個(gè)方面因素對(duì)一體式熱沉的驅(qū)動(dòng)性能的影響。

測(cè)試目的：壓電微泵一體式熱沉驅(qū)動(dòng)性能研究。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器，驅(qū)動(dòng)電源、液體泵送段、流量測(cè)試段、壓力測(cè)試段

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建：

壓電微泵一體式熱沉驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)由流量測(cè)試平臺(tái)和壓力測(cè)試平臺(tái)構(gòu)成。流量測(cè)試平臺(tái)和壓力測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)成有較高的相似性，兩個(gè)測(cè)試平臺(tái)均由驅(qū)動(dòng)電源、液體泵送段、測(cè)量段三部分組成，僅在測(cè)試段的儀器裝置存在不同。

1.驅(qū)動(dòng)電源部分：

驅(qū)動(dòng)電源由任意波形發(fā)生器和高壓放大器組成，可輸出不同峰值電壓、不同頻率的正弦波。在實(shí)際應(yīng)用中，壓電振子的驅(qū)動(dòng)往往只需要一種特定的驅(qū)動(dòng)電壓和頻率參數(shù)。但在一體式熱沉驅(qū)動(dòng)性能的研究中，需要驅(qū)動(dòng)電源可以提供多種電壓和頻率的波形輸出，主要采用任意波形發(fā)生器 AFG3251+ATA-2210高壓放大器 ATA2210 串接實(shí)現(xiàn)。泰克 AFG3251 任意波形發(fā)生器具有一個(gè)通道，正弦波頻率范圍為 0~240MHz，取樣速率為 2Gs/s，最大輸出幅度為 5Vpp，ATA-2210 高壓放大器的電壓放大系數(shù)為 0~100，可以通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，并顯示放大倍數(shù)。

流量測(cè)試平臺(tái)

2.液體泵送段

液體泵送段由兩個(gè)可調(diào)升降臺(tái)、水箱、一體式熱沉固定臺(tái)、進(jìn)口管道和出口管道組成。兩個(gè)升降臺(tái)用于分別調(diào)節(jié)水箱和出口管道的高度，用于保持水箱液面、出口管道、固定臺(tái)上一體式熱沉三者在同一高度。

3.測(cè)試段部分

（1）流量測(cè)試部分由燒杯、電子天平和計(jì)時(shí)器組成；

（2）壓力測(cè)試部分由壓差變送器、直流穩(wěn)壓電源、采集卡和電腦組成，一體式熱沉的輸出端通過(guò)三通閥與壓力變送器進(jìn)行連接，三通閥的另一端連接于注射器上，注射器用于測(cè)試結(jié)束后泄去管中壓力。直流穩(wěn)壓電源給壓差變送器和采集卡供電，電腦用于記錄采集卡采集到的壓力數(shù)據(jù)。

壓力測(cè)試平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

影響一體式熱沉驅(qū)動(dòng)性能的因素較多，驅(qū)動(dòng)參數(shù)有驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率，結(jié)構(gòu)參數(shù)有彈性元件的壓縮量(不銹鋼墊片厚度)和腔體換熱結(jié)構(gòu)。各個(gè)變量對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響均相對(duì)獨(dú)立，不屬于交叉影響因素，因此采用控制變量法進(jìn)行研究。所有驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下圖所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1、驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響：一體式熱沉在15Hz驅(qū)動(dòng)頻率下流量達(dá)到最大值，在 45Hz 驅(qū)動(dòng)頻率下流量達(dá)到第二大值，一體式熱沉存在兩個(gè)可工作的頻率段 10~20Hz 和 40~50Hz。泵壓測(cè)試表明，一體式熱沉在可工作頻率段內(nèi)的泵壓處于較大值，并未出現(xiàn)泵壓急劇下降的突變點(diǎn)；

2、驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響：一體式熱沉的流量和泵壓與驅(qū)動(dòng)電壓存在良好的線性關(guān)系，流量和泵壓均隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而增大，受限于壓電振子的最大驅(qū)動(dòng)電壓 300Vpp，一體式熱沉在 300Vpp 時(shí)可獲得最大的輸出流量和泵壓；

3、彈性元件壓縮量對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響：裝配結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)試表明，當(dāng)彈性元件的厚度壓縮為 1.8mm 時(shí)，一體式熱沉具有最佳的輸出流量和泵壓；

4、換熱結(jié)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響：

（1）直翅片高度對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響：不同高度翅片的測(cè)試表明，一體式熱沉的輸出流量和泵壓均隨著翅片高度的增大而有所下降，基本型一體式熱沉 PZT-F1 具有最大的輸出流量和泵壓；

（2）翅片形狀對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響：側(cè)壁組合結(jié)構(gòu)翅片的測(cè)試表明，隨著側(cè)壁組合圓弧和矩形密度的增加，具有側(cè)壁組合結(jié)構(gòu)翅片的一體式熱沉的輸出流量和泵壓均有所上升，所有具有側(cè)壁組合結(jié)構(gòu)翅片的一體式熱沉輸出流量和泵壓均大于具有同高度的直翅片的一體式熱沉 PZT-F4。

綜合結(jié)論：

在驅(qū)動(dòng)電壓為 300Vpp、驅(qū)動(dòng)頻率為 15Hz、彈性元件的厚度(墊片厚度 D)壓縮為 1.8mm 時(shí)，一體式熱沉具有最佳的驅(qū)動(dòng)性能。腔體內(nèi)添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，在增大換熱面積的同時(shí)，均會(huì)造成一體式熱沉輸出流量和泵壓的下降。