實驗名稱：電壓放大器基于集成壓電微泵一體式熱沉驅動(dong)性能研究

研究(jiu)方向：一體(ti)式熱沉的驅動(dong)性能

實驗內容(rong)：

設(she)計搭建了一體(ti)式熱(re)沉驅動性(xing)能測(ce)試平臺，重(zhong)點(dian)測(ce)試了驅動參數、裝配結構參數、腔體(ti)換熱結構三(san)個(ge)方(fang)面因(yin)素對一(yi)體(ti)式熱沉的(de)驅(qu)動性(xing)能的(de)影(ying)響。

測試目的(de)：壓電(dian)微(wei)泵(beng)一體式(shi)熱沉驅動性能研究(jiu)。

測試設備：高壓放大器，驅動電源、液體泵送段、流量測試段、壓力測試段

實(shi)驗平臺搭建：

壓(ya)電微泵一體式熱(re)沉驅動性(xing)能測(ce)試平(ping)臺(tai)(tai)，測(ce)試平(ping)臺(tai)(tai)由流(liu)量測(ce)試平(ping)臺(tai)(tai)和壓(ya)力測(ce)試平(ping)臺(tai)(tai)構成。流量(liang)測(ce)(ce)試(shi)平臺和壓力測(ce)(ce)試(shi)平臺的構(gou)成有較高的相似性，兩(liang)個測(ce)(ce)試(shi)平臺均由驅動電源、液體泵送段、測(ce)(ce)量(liang)段三(san)部分組成，僅在(zai)(zai)測(ce)(ce)試(shi)段的儀器裝置存在(zai)(zai)不同。

1.驅動電(dian)源部分：

驅動電源由任意波形發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。在實際應用中，壓電振子的驅動往往只需要一種特定的驅動電壓和頻率參數。但在一體式熱沉驅動性能的研究中，需要驅動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生器 AFG3251+ATA-2210高壓放大器ATA2210 串接實現。泰克 AFG3251 任意波形發生器具有一個通道，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為 0~100，可以通過旋鈕調節放大倍數，并顯示放大倍數。

流(liu)量測試(shi)平臺(tai)

2.液體泵送(song)段(duan)

液體泵送段由兩個可調升降臺、水箱、一體式熱沉固定臺、進口管道和出口管道組成。兩個升降臺用于分別調節水箱和出口管道的高度，用于保持水箱液面、出口管道、固定(ding)臺上一體式熱(re)沉三者(zhe)在同一高度(du)。

3.測試段部分(fen)

（1）流量(liang)測試部分由燒杯、電子天平和計時器組(zu)成；

（2）壓力測(ce)試(shi)部分由壓差(cha)變(bian)送器(qi)、直流(liu)穩(wen)壓電(dian)源、采(cai)(cai)集(ji)(ji)卡和電(dian)腦組成，一(yi)體(ti)式熱沉的輸出(chu)端通(tong)過三(san)通(tong)閥與壓力變(bian)送器(qi)進行連(lian)(lian)接，三(san)通(tong)閥的另(ling)一(yi)端連(lian)(lian)接于(yu)注射器(qi)上，注射器(qi)用(yong)(yong)于(yu)測(ce)試(shi)結束后泄去管中壓力。直流(liu)穩(wen)壓電(dian)源給壓差(cha)變(bian)送器(qi)和采(cai)(cai)集(ji)(ji)卡供電(dian)，電(dian)腦用(yong)(yong)于(yu)記錄(lu)采(cai)(cai)集(ji)(ji)卡采(cai)(cai)集(ji)(ji)到的壓力數(shu)據。

壓力測試(shi)平臺

實驗過(guo)程：

影響一體式熱沉驅動性能的因素較多，驅動參數有驅動電壓和驅動頻率，結構參數有彈性元(yuan)件的(de)壓縮量(不銹鋼墊片厚度)和腔體換熱結構。各個變量對驅動性能的影響均相對獨立，不屬于交叉影響因素，因此采用控制變量法進行研究。所有驅動性能測試實驗參數(shu)設置如下圖所示。

實驗結果：

1、驅動頻(pin)率對(dui)驅動性能的影(ying)響(xiang)：一體式熱沉在15Hz驅動頻(pin)(pin)率下流量達到最大(da)值(zhi)，在(zai) 45Hz 驅動頻(pin)(pin)率下流量達到第(di)二大(da)值(zhi)，一(yi)體式熱(re)沉存在(zai)兩個(ge)可工作的(de)頻(pin)(pin)率段(duan) 10~20Hz 和 40~50Hz。泵壓(ya)測試(shi)表明，一(yi)體式熱(re)沉在(zai)可工作頻(pin)(pin)率段(duan)內的(de)泵壓(ya)處于較大(da)值(zhi)，并未(wei)出現(xian)泵壓(ya)急劇下降(jiang)的(de)突變點；

2、驅動(dong)電(dian)壓對驅動(dong)性(xing)能(neng)的(de)影響：一(yi)體(ti)式(shi)(shi)熱沉(chen)的(de)流量(liang)和(he)泵壓與(yu)驅動(dong)電(dian)壓存在良好(hao)的(de)線性(xing)關系，流量(liang)和(he)泵壓均隨驅動(dong)電(dian)壓的(de)增(zeng)大而(er)增(zeng)大，受限于(yu)壓電(dian)振(zhen)子的(de)最大驅動(dong)電(dian)壓 300Vpp，一(yi)體(ti)式(shi)(shi)熱沉(chen)在 300Vpp 時可獲得最大的(de)輸出流量(liang)和(he)泵壓；

3、彈(dan)性元件壓縮量對驅(qu)動(dong)性能的影響(xiang)：裝配結(jie)構參數的測試表明(ming)，當(dang)彈性元件的厚度壓縮為 1.8mm 時，一體式(shi)熱(re)沉(chen)具有最佳的輸出流量(liang)和泵壓；

4、換熱結構對驅動性能的影(ying)響：

（1）直翅(chi)片(pian)高(gao)(gao)度對驅動性能的影響：不同高(gao)(gao)度翅(chi)片(pian)的測試表明，一(yi)(yi)體式熱(re)沉(chen)的輸(shu)出流量和(he)泵壓均隨著翅(chi)片(pian)高(gao)(gao)度的增大而有所下降，基本型(xing)一(yi)(yi)體式熱(re)沉(chen) PZT-F1 具(ju)有最大的輸(shu)出流量和(he)泵壓；

（2）翅片(pian)(pian)形狀對驅動性能的(de)影(ying)響：側壁(bi)(bi)組(zu)合(he)(he)結(jie)構翅片(pian)(pian)的(de)測試表明，隨著側壁(bi)(bi)組(zu)合(he)(he)圓弧和矩形密度的(de)增(zeng)加，具(ju)有(you)(you)側壁(bi)(bi)組(zu)合(he)(he)結(jie)構翅片(pian)(pian)的(de)一體式(shi)熱(re)沉(chen)的(de)輸出(chu)流量(liang)和泵壓均(jun)有(you)(you)所上升，所有(you)(you)具(ju)有(you)(you)側壁(bi)(bi)組(zu)合(he)(he)結(jie)構翅片(pian)(pian)的(de)一體式(shi)熱(re)沉(chen)輸出(chu)流量(liang)和泵壓均(jun)大(da)于具(ju)有(you)(you)同高度的(de)直(zhi)翅片(pian)(pian)的(de)一體式(shi)熱(re)沉(chen) PZT-F4。

綜合結論(lun)：

在驅動電(dian)壓(ya)為 300Vpp、驅動(dong)頻率為(wei) 15Hz、彈性(xing)(xing)元件的(de)厚度(墊片厚度 D)壓(ya)縮為(wei) 1.8mm 時，一(yi)體式熱沉(chen)具有最佳的(de)驅動(dong)性(xing)(xing)能。腔體內添加強(qiang)化傳熱結構，在增(zeng)大換熱面積的(de)同時，均會造成一(yi)體式熱沉(chen)輸(shu)出流量和泵壓(ya)的(de)下(xia)降(jiang)。

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