ATA2210功率放大器在压电微泵热沉驱动性能研究中的应用

实验名称：高压放大器基于集成压电微泵一体式热沉驱动性能研究

研究方向：一体式热沉的驱动性能

实验内容：

设计搭建了一体式热沉驱动性能测试平台，重点测试了驱动参数、装配结构参数、腔体换热结构三个方面因素对一体式热沉的驱动性能的影响。

测试目的：压电微泵一体式热沉驱动性能研究。

测试设备：高压放大器，驱动电源、液体泵送段、流量测试段、压力测试段

实验平台搭建：

压电微泵一体式热沉驱动性能测试平台，测试平台由流量测试平台和压力测试平台构成。流量测试平台和压力测试平台的构成有较高的相似性，两个测试平台均由驱动电源、液体泵送段、测量段三部分组成，仅在测试段的仪器装置存在不同。

1.驱动电源部分：

驱动电源由任意波形发生器和高压放大器组成，可输出不同峰值电压、不同频率的正弦波。在实际应用中，压电振子的驱动往往只需要一种特定的驱动电压和频率参数。但在一体式热沉驱动性能的研究中，需要驱动电源可以提供多种电压和频率的波形输出，主要采用任意波形发生器 AFG3251+ATA-2210高压放大器 ATA2210 串接实现。泰克 AFG3251 任意波形发生器具有一个通道，正弦波频率范围为 0~240MHz，取样速率为 2Gs/s，最大输出幅度为 5Vpp，ATA-2210 高压放大器的电压放大系数为 0~100，可以通过旋钮调节放大倍数，并显示放大倍数。

流量测试平台

2.液体泵送段

液体泵送段由两个可调升降台、水箱、一体式热沉固定台、进口管道和出口管道组成。两个升降台用于分别调节水箱和出口管道的高度，用于保持水箱液面、出口管道、固定台上一体式热沉三者在同一高度。

3.测试段部分

（1）流量测试部分由烧杯、电子天平和计时器组成；

（2）压力测试部分由压差变送器、直流稳压电源、采集卡和电脑组成，一体式热沉的输出端通过三通阀与压力变送器进行连接，三通阀的另一端连接于注射器上，注射器用于测试结束后泄去管中压力。直流稳压电源给压差变送器和采集卡供电，电脑用于记录采集卡采集到的压力数据。

压力测试平台

实验过程：

影响一体式热沉驱动性能的因素较多，驱动参数有驱动电压和驱动频率，结构参数有弹性元件的压缩量(不锈钢垫片厚度)和腔体换热结构。各个变量对驱动性能的影响均相对独立，不属于交叉影响因素，因此采用控制变量法进行研究。所有驱动性能测试实验参数设置如下图所示。

实验结果：

1、驱动频率对驱动性能的影响：一体式热沉在15Hz驱动频率下流量达到最大值，在 45Hz 驱动频率下流量达到第二大值，一体式热沉存在两个可工作的频率段 10~20Hz 和 40~50Hz。泵压测试表明，一体式热沉在可工作频率段内的泵压处于较大值，并未出现泵压急剧下降的突变点；

2、驱动电压对驱动性能的影响：一体式热沉的流量和泵压与驱动电压存在良好的线性关系，流量和泵压均随驱动电压的增大而增大，受限于压电振子的最大驱动电压 300Vpp，一体式热沉在 300Vpp 时可获得最大的输出流量和泵压；

3、弹性元件压缩量对驱动性能的影响：装配结构参数的测试表明，当弹性元件的厚度压缩为 1.8mm 时，一体式热沉具有最佳的输出流量和泵压；

4、换热结构对驱动性能的影响：

（1）直翅片高度对驱动性能的影响：不同高度翅片的测试表明，一体式热沉的输出流量和泵压均随着翅片高度的增大而有所下降，基本型一体式热沉 PZT-F1 具有最大的输出流量和泵压；

（2）翅片形状对驱动性能的影响：侧壁组合结构翅片的测试表明，随着侧壁组合圆弧和矩形密度的增加，具有侧壁组合结构翅片的一体式热沉的输出流量和泵压均有所上升，所有具有侧壁组合结构翅片的一体式热沉输出流量和泵压均大于具有同高度的直翅片的一体式热沉 PZT-F4。

综合结论：

在驱动电压为 300Vpp、驱动频率为 15Hz、弹性元件的厚度(垫片厚度 D)压缩为 1.8mm 时，一体式热沉具有最佳的驱动性能。腔体内添加强化传热结构，在增大换热面积的同时，均会造成一体式热沉输出流量和泵压的下降。