阅读说明：本技术 一种应用于精准滴灌的晶片式多振子压电液压步进驱动器 (Wafer type multi-vibrator piezoelectric hydraulic stepping driver applied to precise drip irrigation ) 是由 郑晓培 蔡长青 李琳娜 王洪臣 伊延吉 栾鑫 杨云哲 于 2020-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应用于精准滴灌的晶片式多振子压电液压步进驱动器,包括双作用压电泵、蓄能器、压力表、换向阀和液压缸,所述双作用压电泵包括多个串联的双晶片压电振子,所述双晶片压电振子包括由压电晶片分隔而成的上、下两个泵腔,所述压电晶片振动变形时,上、下两个所述泵腔一个吸水而另一个排水；所述双作用压电泵工作过程中采用多个截止阀控制液体的流动。本发明的目的是提供一种应用于精准滴灌的晶片式多振子压电液压步进驱动器,控制外界输入条件(电压、频率)即可调节压电振子的振动幅度,改变泵腔体积变化量,即一个周期中压电泵的输出,进而控制液压缸的输出步长,实现精密驱动,调节压电液压驱动器的输出性能。(The invention discloses a wafer type multi-vibrator piezoelectric hydraulic stepping driver applied to precise drip irrigation, which comprises a double-acting piezoelectric pump, an energy accumulator, a pressure gauge, a reversing valve and a hydraulic cylinder, wherein the double-acting piezoelectric pump comprises a plurality of tandem double-wafer piezoelectric vibrators, each double-wafer piezoelectric vibrator comprises an upper pump cavity and a lower pump cavity which are formed by dividing a piezoelectric wafer, and when the piezoelectric wafer vibrates and deforms, one of the upper pump cavity and the lower pump cavity absorbs water while the other pump cavity drains water; a plurality of stop valves are adopted to control the flow of liquid in the working process of the double-acting piezoelectric pump. The invention aims to provide a wafer type multi-vibrator piezoelectric hydraulic step driver applied to precise drip irrigation, which can adjust the vibration amplitude of a piezoelectric vibrator by controlling external input conditions (voltage and frequency), change the volume change of a pump cavity, namely the output of a medium-pressure electric pump in one period, further control the output step length of a hydraulic cylinder, realize precise driving and adjust the output performance of the piezoelectric hydraulic driver.)

一种应用于精准滴灌的晶片式多振子压电液压步进驱动器

技术领域

本发明涉及农业水肥一体的精准滴灌技术领域，尤其涉及一种应用于精准滴灌的晶片式多振子压电液压步进驱动器。

背景技术

滴灌是目前干旱缺水地区最有效的一种节水灌溉方式，水的利用率可达95％。滴灌较喷灌具有更高的节水增产效果，同时可以结合施肥，提高肥效一倍以上。可适用于果树、蔬菜、经济作物以及温室大棚灌溉，在干旱缺水的地方也可用于大田作物灌溉。其目前多是利用塑料管道将水或水肥通过直径约10mm毛管上的孔口或滴头送到作物根部进行局部灌溉。但是目前并不能满足在农业中水肥一体化滴灌时的精准化滴灌的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于精准滴灌的晶片式多振子压电液压步进驱动器，控制外界输入条件(电压、频率)即可调节压电振子的振动幅度，改变泵腔体积变化量，即一个周期中压电泵的输出，进而控制液压缸的输出步长，实现精密驱动，调节压电液压驱动器的输出性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种应用于精准滴灌的晶片式多振子压电液压步进驱动器，包括双作用压电泵、蓄能器、压力表、换向阀和液压缸，其特征在于：所述双作用压电泵包括多个串联的双晶片压电振子，所述双晶片压电振子包括由压电晶片分隔而成的上、下两个泵腔，所述压电晶片振动变形时，上、下两个所述泵腔一个吸水而另一个排水；所述双作用压电泵工作过程中采用多个截止阀控制液体的流动。

进一步的，所述双作用压电泵包括5个串联的双晶片压电振子。

进一步的，选定压电陶瓷材料为PZT-4、直径29mm、厚度0.2mm，金属基板材料为铍青铜、直径35mm、厚度0.2mm，作为压电液压驱动器的基本元件。

进一步的，所述截止阀为0.2mm-0.4mm阀厚的伞形橡胶截止阀，优选0.3mm。

进一步的，所述伞形橡胶截止阀的阀孔位置可以尽量靠近压电振子的中心。

进一步的，所述伞形橡胶截止阀的阀孔与阀片边缘距离为1mm；

进一步的，所述伞形橡胶截止阀包括6个阀孔，阀孔直径为1.7mm。

进一步的，所述双作用压电泵的泵腔高度的为0.3mm～0.8mm。

进一步的，所述晶片式多振子压电液压步进驱动器采用加载背压的方法使泵腔中的液体和气体在压电泵工作前已被压缩成近似刚体，减小了工作过程中的能量损失和泵腔内的冲击压力。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本申请在工作前通过在压电液压驱动系统中加载背压，此时液体被加载的背压压缩成近似刚体；工作中压电振子变形，液体被第二次压缩。因此，相比以往的驱动器，产生同等变形量的压电振子引起的液体体积改变量较大，驱动器的输出速度/驱动力增加。

该驱动器采用双晶片压电振子工作，振子受力均衡，不易损坏；密封系统使其能够加载背压，减小液体中的气泡对压电泵性能的影响，提高液体对压电振子振动变形的敏感度和系统性能的稳定性，增加驱动器的输出速度、推力和响应速度。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明应用于精准滴灌的晶片式多振子压电液压步进驱动器的结构示意图；

图2为压电液压步进驱动器工作原理图；

图3为伞形橡胶截止阀工作示意图；

图4为双作用压电泵***图

图5为纯净水加载不同背压时驱动器的输出速度-频率曲线；

图6为纯净水加载不同背压时驱动器的输出推力-频率曲线；

图7为自来水加载不同背压时驱动器的输出速度-频率曲线；

图8为自来水加载不同背压时驱动器的输出推力-频率曲线；

图9为驱动器的速度-背压曲线；

图10为驱动器的推力-背压曲线；

图11为不同外界负载下驱动器的输出速度-频率曲线；

图12为不同外界负载下驱动器的输出步长-频率曲线；

图13为不同背压下驱动器的输出速度-外界负载曲线；

图14为不同背压下驱动器的输出功率-外界负载曲线；

图15为不同背压下驱动器的输出步长-外界负载曲线；

附图标记说明：1、双作用压电泵；101-泵体；1010-泵壳体；1011-截止阀板；1012-压电振子支撑板；102-进水口；103-出水口；104-压电晶片；105-密封圈；106-螺栓；107-螺母；；2、蓄能器；3、压力表；4、换向阀；5、液压缸；6-截止阀；601-阀座(泵体)；602-阀孔；603-阀片。

具体实施方式

如图1至4所示，一种应用于精准滴灌的晶片式多振子压电液压步进驱动器，驱动器的液压缸连接水肥一体的药箱，通过控制液压缸的速度和推力来调整施肥量,其包括双作用压电泵1、蓄能器2、压力表3、换向阀4和液压缸5，所述双作用压电泵1包括多个串联的双晶片压电振子，所述双晶片压电振子包括由压电晶片104分隔而成的上、下两个泵腔，所述压电晶片104振动变形时，上、下两个所述泵腔一个吸水而另一个排水；所述双作用压电泵1工作过程中采用多个截止阀6控制液体的流动。

所述双作用压电泵1包括5个串联的双晶片压电振子。选定压电陶瓷材料为PZT-4、直径29mm、厚度0.2mm，金属基板材料为铍青铜、直径35mm、厚度0.2mm，作为压电液压驱动器的基本元件。如图3所示，所述截止阀6为0.2mm-0.4mm阀厚的伞形橡胶截止阀。所述伞形橡胶截止阀6的阀孔位置可以尽量靠近压电振子的中心。所述伞形橡胶截止阀的阀孔与阀片边缘距离为r₂1mm；

所述伞形橡胶截止阀包括6个阀孔，阀孔直径r1为1.7mm。在一定的腔高范围内，压电泵的输出流量与泵腔高度成正比，压电泵的输出压力与泵腔高度成反比，另外，液体在流动过程中，必然会产生能量损失，沿程损失与泵腔高度成反比，因此所述双作用压电泵1的泵腔高度的为0.3mm～0.8mm。泵体为PMMA(有机玻璃)材质；所述晶片式多振子压电液压步进驱动器采用加载背压的方法使泵腔中的液体和气体在压电泵工作前已被压缩成近似刚体，减小了工作过程中的能量损失和泵腔内的冲击压力。

在150V交流电压下，分别对以阀片直径10mm，阀片厚度0.2mm、0.3mm和0.4mm的伞形阀作为截止阀的压电泵进行试验，测试结果表明0.3mm阀厚伞形阀的压电泵输出流量和压力均高于0.2mm和0.4mm阀厚的压电泵，因此本发明优选用0.3mm阀厚的伞形橡胶截止阀。

驱动器工作原理如图2所示，为一个周期中压电泵的工作状态。压电泵用双晶片压电振子串联而成，一个双晶片压电振子形成上下两个泵腔。压电晶片振动变形时，上下两个泵腔一个吸水，一个排水。图中Ai、Vi、Ci(i＝1、2、3…)分别代表压电晶片、截止阀和压电泵的泵腔。以压电泵中压电晶片A1、A3、A5向下弯曲，A2、A4向上弯曲，为一个工作周期的起始点，如图2(a)所示。此时，截止阀V1、V3、V5、V8、V10、V12闭合，阀V2、V4、V6、V7、V9、V11打开，压电泵泵腔C1、C3、C5、C7、C9处于排水状态；泵腔C2、C4、C6、C8、C10处于吸水中，压电泵整体表现为A侧排水，B侧吸水。随着泵腔C1、C3、C5、C7、C9体积逐渐减小，泵腔C2、C4、C6、C8、C10体积逐渐变大，相邻泵腔中的压力差增大，作用于截止阀，迫使截止阀V1、V3、V5、V8、V10、V12闭合更加严密，阀V2、V4、V6、V7、V9、V11的阀片打开幅度增加。当压电晶片变形到最大挠度，如图2(b)所示，阀V2、V4、V6、V7、V9、V11打开至最大，压电泵输出流量达到最大。随后电压方向改变，压电晶片A1、A3、A5开始向上运动，A2、A4则向下运动，如图2(c)所示。此时，泵腔C1、C3、C5、C7、C9体积逐渐变大，泵腔中压力降低，开始吸水；泵腔C2、C4、C6、C8、C10逐渐减小，泵腔压力增大，开始排水。截止阀V1、V3、V5、V8、V10、V12将要打开，阀V2、V4、V6、V7、V9、V11逐渐闭合。但是因为泵腔C1、C3、C5中压力相对较大，致使压电泵自吸性不足，截止阀V1、V3、V5无法打开，阀V2、V4、V6闭合滞后，出现压电泵A侧出水口倒流的现象；B侧泵腔C6、C8、C10中压力过小，不足以克服阀片开启/闭合耗费的能量，致使截止阀V8、V10、V12无法打开，阀V7、V9、V11闭合滞后，出现压电泵B侧进水口倒流的现象。此时，压电泵没有输出。随着压电晶片继续运动，如图2(d)所示，A侧泵腔C1、C3、C5中压力减小到特定值，腔体产生自吸性使连接上一个泵腔的截止阀打开，即阀V1、V3、V5逐渐打开，泵腔开始吸水，液体经上一个泵腔进入此泵腔中，整体表现为压电泵A侧吸水；B侧泵腔C6、C8、C10中压力增大到足够克服阀片开启耗费的能量时，进入下一个泵腔的伞形阀打开，即阀片V8、V10、V12逐渐开启，泵腔开始排水，液体进入下一个泵腔中，整体表现为压电泵B侧排水。但是由于C2、C4、C6、C8、C10泵腔中的压力不足以使阀片闭合，截止阀V2、V4、V6、V7、V9、V11仍然处于打开状态，致使压电泵A侧出水口和B侧进水口发生倒流。

下半个工作周期起始时，压电晶片A1、A3、A5开始向上弯曲，A2、A4向下弯曲，如图2(e)所示。当截止阀V1、V3、V5、V8、V10、V12全部打开，阀V2、V4、V6、V7、V9、V11全部闭合时，倒流现象消失，压电泵处于A侧吸水、B侧排水状态。当压电晶片A1、A3、A5向下弯曲变形达到最大，A2、A4向上运动挠度最大时，压电泵泵腔C1、C3、C5、C7、C9腔体体积达最大值；泵腔C2、C4、C6、C8、C10腔体体积为最小值，截止阀V1、V3、V5、V8、V10、V12完全打开，压电泵A侧吸水，B侧排水，如图2(f)所示。电压方向再次改变，压电晶片的运动方向随之改变，A1、A3、A5开始向下运动，A2、A4则向上运动，泵腔中压力发生改变，截止阀V1、V3、V5、V8、V10、V12打开幅度逐渐减小，压电泵A侧进水口、B侧出水口发生倒流，如图2(g)所示。当压电晶片的变形趋近于0时，截止阀全部处于打开状态，如图2(h)所示，压电泵A侧进水口发生倒流、出水口排水，B侧进水口吸水、出水口发生倒流。然后压电晶片A1、A3、A5开始向下弯曲，A2、A4向上弯曲，压电泵重复图2(a)中的工作过程。

工作前，在晶片式多振子压电液压步进驱动器中加载背压，此时液体被加载的背压压缩成近似刚体；工作中压电振子变形，液体被第二次压缩。因此，相比以往的驱动器，产生同等变形量的压电振子引起的液体体积改变量较大，驱动器的输出速度/驱动力增加。该驱动器采用双晶片压电振子工作，振子受力均衡，不易损坏；密封系统使其能够加载背压，减小液体中的气泡对压电泵性能的影响，提高液体对压电振子振动变形的敏感度和系统性能的稳定性，增加驱动器的输出速度、推力和响应速度。

加载不同背压实验

五个压电振子在电压150V下同时工作为固定条件，加载不同的背压和改变液体含有的气体量为变量进行压电液压驱动器的性能测试.

液体采用纯净水(含气体较少)时，对驱动器加载不同的背压，测试结果如图5和图6所示。

压电液压驱动器在加载背压为0.04MPa时输出速度和推力最大。在60～400Hz间，加载背压0MPa、0.04MPa时驱动器的最大输出速度和最大输出推力分别为23.33mm/s、80.4N，25.83mm/s、92.6N。背压0.04MPa时驱动器的输出速度和推力分别是0MPa时的1.11倍和1.15倍。

液体采用自来水(含气体较多)时，对驱动器加载不同的背压，测试结果如图7和图8所示。

在60～400Hz间，加载背压0MPa、0.07MPa时压电液压驱动器的最大输出速度和最大输出推力分别是10.72mm/s、56.8N，13.83mm/s、66.4N。背压0.07MPa时驱动器的输出速度和推力分别是0MPa时的1.17倍和1.29倍。

气体含量对最佳加载背压的影响实验

如图9和图10所示，液体是纯净水的驱动器的输出速度和推力在背压为0.04MPa时达到极值，以自来水为工作介质的驱动器的输出速度和推力在背压为0.07MPa时达到最大，说明系统中含有气体越多，驱动器达到最佳输出所需加载的背压值越大。因为气体的可压缩性远大于液体，压缩单位体积气体到近似刚体所需加载的背压大于水。

负载作用下驱动器的性能

多振子压电液压步进驱动器在电压150V、五个压电振子同时工作、纯净水为介质、加载背压0.04MPa时的输出能力最优，本发明在此工况下测试压电液压驱动器加载不同外界负载(0N、5N、10N、15N、20N)时的输出性能。

驱动器在不同外界负载下的输出速度－频率关系曲线如图11所示，驱动器在不同外界负载下驱动器的输出步长-频率曲线如图12所示。

为进一步研究压电液压驱动器在外界负载下的工作性能，测试频率400Hz、电压150V下驱动器在不同背压下的输出速度和负载的关系，试验结果如图13所示。

不同背压下的驱动器的输出速度随着外界负载的增大逐渐减小。对于以纯净水为工作介质的驱动器，加载背压0.04MPa时，驱动器的最大承载值是30N。加载背压0.3MPa时，驱动器的最大承载值是20N。

图14为频率400Hz、电压150V下压电液压驱动器的输出功率－负载曲线。曲线存在一个峰值，为最佳输出功率，对应的负载为最佳外界负载。加载合适的背压可以提高驱动器的最佳外界负载值。

压电液压驱动器是一种精密的步进式驱动器，输出步长的精度等级和变化趋势是它的一项重要指标。对频率400Hz、电压150V、不同背压下工作的驱动器的输出步长与负载的关系进行分析，如图15所示。随着负载的增大，不同背压下的驱动器输出步长逐渐减小，超过最大承载值时，输出步长为0。

在双作用压电泵的工作方式、加载背压、液体中气体含量都确定的情况下，压电液压驱动器的输出速度、推力、功率和步长与工作频率、工作电压和外界负载等因素有直接的关系。在实际应用中，应根据工作场合的具体要求和压电液压驱动器的输出性能确定其工作频率、电压和负载。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。