（精密仪器及机械专业论文）电气转换器的研制及其疲劳性能实验研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 电一气转换器是一种完成由电信号到气信号转换的装置，是许多自动化过程控制系 统中不可或缺的关键设备，是沟通电动仪表与气动仪表之间混合应用的转换环节，广泛 应用于石油、化工、纺织、造纸等安全等级要求较高的场合。压电式电气转换器利用喷 嘴一挡板机构的转换原理，采用压电陶瓷复合圆盘作为挡板微动执行机构，突破了电一 气转换装置机械结构的传统模式，结构简单，易于控制。 本文主要完成了以下几个方面的工作： 针对转换器使用环境及使用要求，设计了测试影响其性能因素的正交实验，对转换 器进行重复疲劳试验，测出影响转换器性能的主要因素为温度，电压变化方式为次要因 素，频率及各因素交互作用的影响为非影响因素，可以忽略。 针对转换器主要部件一挡板结构的主要尺寸，利用a n s y s 软件对其进行二维可靠 性分析，得出结构尺寸对其性能影响的灵敏度。其中，挡板结构对压电陶瓷长度r 1 的 敏感性最大，其次是铜电极厚度t 2 ，两者的影响均为负值，说明它们与挡板结构性能 成反比例关系，而压电陶瓷厚度t l 的影响为正值，说明其与挡板结构性能成正比例关 系，三者之间大小关系为r i t 2 t i 。 完善了压电式电一气转换器智能控制系统，该系统以超低功耗的微处理器 m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心，由软硬件共同实现控制任务，采用闭环控制方式，具有控制、诊 断和保护智能化的特点。实现了二线制低功耗仪表的设计要求，大大提高了控制精度与 系统可靠性。 对转换器转换装置进行静态测试和整机性能测试，测试了整机精度，稳态过渡性能 以及试件漂移性能。 关键词：电一气转换器；压电复合圆盘；正交实验；疲劳实验；可靠性分析 电一气转换器的研制及其疲劳性能实验研究 d e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nf a t i g u ep e r f o r m a n c eo f e l e c t r o p n e u m a t i ci n v e r t e r a b s t r a c t e l e c t r o p n e u m a t i ci n v e r t e ri s al 【i l l do fe q u i p m e n tt h a tc o n v g y t se l e c t r i cs i g n a lt o p n e u m a t i cs i g n a l i ti st h ee s s e n t i a lk e yd e v i c ei nm a n ya u t o m a t i cp r o c e s sc o n t r o ls y s t e ma n d m a i n l yu s e di nt h ef i e l do fh i g hr e q u e s tf o rs a f e t y , s u c ha s ：p e t r o l ，c h e m i c a l ，s p i n ，p a p e r m a k i n g i tm a k e su s eo ft h ec o n v e r t i n gp r i n c i p l eo fn o z z l e - f l a p p e rs t r u c t u r e ，a d o p t st h e p i e z o e l e c t r i cc e r a m i cc o m p o s i t ep l a t ea st h ea c t u a t o r c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm o d e ，i t i sab r e a k t h r o u g hi ne a s yc o n t r o l l i n ga n dt h es i m p l es t r u c t u r e t h et h e s i sm a i n l yc o m p l e t e da sf o l l o w s ： d e s i g n e dt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tt e s t i n gt h ep e r f o r m a n c eb a s e do nt h ec o n d i t i o no f r e q u e s to fi n v e r t e r , a n da l s om a d et h er e p e a tf a t i g u ee x p e r i m e n t , t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t , t h e s i g n i f i c a n tf a c t o r - t e m p e r a t u r ea n dn e x ts i g n i f i c a n tf a c t o r - t h ew a yo fv o l t a g e sc h a n g eh a v e b e e nf o u n d ，f r e q u e n c ya n di n t e r a c t i o nb e t w e e nf k 幻r sa r et h ei n s i g n i f i c a n tf a c t o 倦，s ot h e y c a nb ei g n o r e d w i ma n s y ss o , w a r e , h a v em a d et h er e l i a b i l i t ya n a l y s i sb a s e do nt h em a i nd i m e n s i o n o ft h ef l a p p e rw h i c hi st h em a i np a r to ft h ei n v e r t e r , c a l c u l a t e dt h es e n s i t i v i t i e sw h i c h i n f l u e n c et h ei n v e r t e r sp e r f o r m a n c e b e t w e e nt h ed i m e n s i o no ft h ei n v e r t e r ，t h el e n g t ho f p z t ( r 1 ) i st h eh i g h e s t , t h en e x ti st h et h i c k n e s so fc o p p e re l e c t r o d e ( t 2 ) ，t h ei n f l u e n c eo f t h e mi sn e g a t i v e , i ti n d i c a t e st h a tt h e ya r er e v e r s ew i t ht h ei n v e r t e r sp e r f o r m a n c e ，t h e i n f l u e n c eo ft h et h i c k n e s so fp z t ( t 1 ) i sp o s i t i v e ，i ti n d i c a t e st h a ti ti sd i r e c tp r o p o r t i o nw i t h t h ep e r f o r m a n c e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h e mi sr i t 2 t 1 t h e i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo f t h ee l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t e ri sd e v e l o p e d t h es u p e r l o wd i s s i p a t i o nm i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f 1 4 9i st h ek e r n e lo f t h ec o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o l t a s ki sa c c o m p l i s h e db ys o f t w a r ea sw e l la sh a r d w a r e a sa d o p t e dc l o s el o o pc o n t r o l l i n g , c o n t r o li n t e l l i g e n c e , d i a g n o s ei n t e l l i g e n c ea n dp r o t e c t i o ni n t e l l i g e n c ea r et h er e m a r k a b l e c h a r a c t e r i s t i c so f t h es y s t e m ；c o n t r o la c c u r a c ya n dt h es y s t e me r e d i b i l i t yi sg r e a t l yi m p r o v e d c o m p l e t e dt h es t a t i ca n dw h o l et e s t i n go ft h ei n v e r t e r , i tc o n t a i n s ：w h o l ep r e c i s i o n , t h e p e r f o r m a n c eo f t h es t e a d yt r a n s i t i o na n de x c u r s i o no f t h ei n v e r t e r k e yw o r d s ：e l e c t r o p n e u m a t i ci n v e r t e r ：p i e z o - e l e c t r i cc o m p o s i t ep l a t e ； o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ：f a t i g u ee x p e r i m e n t ：r e l i a b i l i t ya n a l y s i s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：芏k 益尬日期：坦丑：三：! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：聋b 墨趑 导师签名 兰! ! 1 年睦月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 电一气转换器概述 1 1 1 气动执行器在自动化生产中的地位 自动化技术是2 0 世纪以来发展迅速和影响极大的科学技术之- - ( 1 2 】，尤其在机械、 电子、信息、石油、化工、冶金、电站、水利等工业中的应用极大地促进了人类社会生 产力水平的提高。而任何一个完整的自动化系统，无论是简单的还是复杂的，都包括信 息采集、信息处理和信息执行三个部分。信息执行完全由执行器来承担，可见，执行器 在自动化系统中是三大支柱之_ 【3 1 。 现代执行器根据工作能源不同，分为三大类 4 - 5 l ：气动执行器、电动执行器、液压 执行器。其中，气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到 5 0 年，却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广，发 展最快，也最易被接受及重视的技术之一。与电动、液动相比，气动执行器利用压缩空 气作动力，具有结构简单、输出力大、动作可靠、性能稳定、维护方便、价格便宜、本 质安全、防火防爆等优点。在当今工业如机械、电子、钢铁、运行车辆及其制造、橡胶、 纺织、轻工、化工、食品、包装、印刷、烟草等领域中，气动技术已成为不可缺少的基 本部分，目前，气动执行器的使用数量约占执行器总数的9 0 【6 】。 气动执行器的缺点是滞后大，气压信号懒差速度慢，传输距离短( 传送距离限制在 1 5 0 m 以内) ，管线安装不便。相比之下，电信号在传输、放大、变换、测量都比气压 信号方便的多，特别是电动仪表容易和电子巡回检测装置和工业控制计算机配合使用。 并且，随着电子技术的飞速发展，在使用低电压、小电流的电信号时，可以在电路结构 上采取安全布线、抗干扰等严密措施，从而保证生产现场的安全性和可靠性，而且电信 号与气压信号相比，在信号处理、现场控制以及通信联络等方面十分方便，因而电动设 备得到了广泛的应用【n 。 鉴于气动信号与电动信号各自的优越性，目前大部分的自动化装置两种信号并存， 在信号采集、数据处理、调节控制、通信联络等方面大量使用电动装置，而执行部件仍 采用气动装置。这就要求在自动化装置中必须进行电信号和气压信号之间的转换嘲，电 气阀门转换器或定位器就是完成电信号到气信号之间转换的仪表，是自动化生产中不可 或缺的关键设备。 电一气转换器的研制及其疲劳性能实验研究 1 1 2 电一气转换器及其工作原理 电一气转换器是一种完成电信号到气压信号之间转换的装置，它是自动化系统中不 可或缺的信号转换关键设备。电一气转换器用以将4 - - 2 0 m a 的电流信号转换成 0 0 2 - - 0 1 m p a 的气动信号，作为气动调节阀、气动阀门定位器等执行器件的气动控制信 号。电一气转换器在自动化过程控制中的一种典型应用如图1 1 所不- - 9 4 们。 图1 1电一气转换器的典型应用 f i g 1 1t y p i c a la p p l i c a t i o no f e l e c t r o - p n e u m a t i ci n v e r t e r 图中r 为被调量的设定值；y 为被调量；为被调量的测量值；“为控制器的输出 信号；厂为电一气转换器的输出信号；c 为执行器反馈给转换器的信号。转换器利用闭环 控制原理，将从调节器来的调节信号( 4 - - 2 0 m a d c ) 与从执行器来的执行结果反馈信 号相比较，根据比较后的偏差使调节执行机构动作，从而准确地控制最终被调量的输出。 其中被调量可以是工业现场的水分、温度、流量等各种参数。 1 2电一气转换器、定位器国内外技术现状及发展趋势 1 2 1电一气转换器、定位器国内外技术现状 目前，就国内外电一气转换器所采用的核心转换部件的不同，可以将其分为以下几 种类别：机械式、电子式和智能式【1 0 1 。 ( 1 ) 机械式电一气转换器 在自动化系统中最早得到应用的就是机械式电一气信号转换器。具体包括力平衡式 电一气转换器、电气阀门定位器和位移平衡式电一气转换器。这些转换器的设计都是 基于机械平衡的原理。 机械力平衡原理如图1 2 所示。来自变送器或调节器的标准电流信号通过线圈后， 产生电磁场，可动铁心被磁化。在永久磁铁的磁场作用下产生一个电磁力矩，使可动铁 心绕支点作逆时针转动。此时固定在可动铁心上的挡板靠近喷嘴，改变喷嘴和挡板的间 大连理工大学硕士学位论文 隙，输出气压随之改变。这种喷嘴挡板机构是气动仪表中一种最基本的变换和放大环节， 它能将挡板对于喷嘴的微小位移灵敏地变换成气压信号。经过气动功率放大器后产生的 输出压力功率增大。此压力反馈到波纹管中，便在可动铁心另一端产生一个反馈力矩， 此力矩与线圈产生的电磁力相平衡，构成闭环系统，从而达到使输出压力与输入电信号 成比例地变化。 1 ) 喷嘴2 ) 挡板3 ) 永久磁铁4 ) 支点5 ) 平衡锤； 6 ) 波纹管7 ) 放大器8 ) 气阻9 ) 调零弹簧 图1 2 机械式电气转换器原理图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m e c h a n i c a le l e c t r o - p n e u m a t i ci n v e r t e r 7 2 气源 1 ) 挡板2 ) 喷嘴3 ) 平衡梁4 ) 弹簧5 ) 机械调零6 ) 柱塞线圈7 ) 永久磁铁 图1 3 机械力平衡原理电一气转换装置图 f i g 1 3s t r u c t u r e o f e l e c t r o - p n e u m a t i c c o n v e r t e t d e v i c e w i t h p r i n c i p l e o f f o r c e b a l a n c e 图1 3 是美国s a m s o n 公司根据机械力平衡原理生产的电一气转换装置原理图， 用于电一气阀门转换器；另外日本山武霍尼韦尔公司生产的h e p 电一气阀门定位器； 电一气转换器的研制及其疲劳性能实验研究 我国上海长成自控设备有限公司生产的q z d - - 2 0 0 0 型电一气转换器、以及2 0 0 0 型系列 电一气阀门定位器；常州市石化仪表厂生产的q e d 2 0 0 0 电一气转换器、e p 3 0 0 0 电一气 阀门定位器、i p d 2 0 0 0 电一气阀门定位器等都是基于上述机械力平衡原理。由于这种转 换器或定位器具有价格低廉、使用安全、防燃防爆等优点，目前在我国传统企业里仍在 使用。但是机械力平衡结构具有其不可克服的缺点：机械部件易磨损，抗振动冲击性差， 使用寿命短，气压信号传递速度慢，传输距离短，存在较大的惯性和弹性滞后，动态性 能差，调节环节多，机构繁杂，故障率高，维护困难，手动调整费时且需要中断控制回 路等等 1 1 - 1 2 1 。 ( 2 ) 电子式电一气信号转换器 图1 4k 8 0 p c 原理 f i g 1 4 t h e p r i n c i p l eo f k 8 0 p c 电子式电一气阀门定位器在八十年代初开始走向市场，近几年技术手段不断更新。 电子式电一气转换器与传统的机械式转换器不同的是使用电子元器件代替磁力马达，或 者用微电子电路控制低能耗的电一气转换部件实现电气信号的转换。 如英国的i v c op r o c e s sv a l v ei n c 开发出了一种能进行简单的p i d 运算的电一气转 换器，并将其用于阀门的控制，称为k 8 0 p c i l 3 】。美国的x o m o x 公司和e l - o m a t i c 公 司也开发出了相类似的产品。其主要原理见图1 4 。 4 大连理工大学硕士学位论文 调节阀的阀杆与一个反馈内电位计相连，每个阀位对应一个相应的电位，阀位随阀 杆的移动而连续变化。k 8 0 p c 中的比较器将输出调节阀的信号与调节阀阀杆的位置对应 的反馈内电位计的电位信号相比较。如果不相等，则打开通向汽缸或薄膜上下气室的微 气动开关中的一个，使阀杆移动；如果相等( 包括阀杆移动后) ，则同时切断两个微气 动开关，使执行机构保持其现有状态不变，或将执行机构锁定在新的位置上。其p i d 电 路安装在k 8 0 p c 输入端和比较器的输入端之间，使得输入信号在内电位计的电位比较 前进行p i d 运算和调整。从上面所介绍的情况看，i v c o 研制开发的电子式产品的确有 其独到之处，它没有将标准电信号转换为标准压力信号后，再去控制阀门，这种方法是 值得借鉴的。但是，就这种产品本身而言，其通用性不强。 图1 5e p 2 3 0 0 2 4 0 0 电子式电气阀门定位器原理图 f i g 1 5 t h es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f e p 2 3 0 0 2 4 0 0e l e c t r i c a ld e e t r o p n e u m a t i ev a v l ep o s i t i o n e r 图1 5 是日本h o n e y w e l l 公司生产的e p 2 3 0 0 2 4 0 0 电子式电一气阀门定位器工 作原理图，线性电位器把阀杆位置转换成电信号和初始设定值比较，经过p i 控制器调 整和信号放大输出至压电微型阀，控制输出气压，经气动放大器输出。当输入信号与反 馈信号平衡时，气动放大器输出稳定的压力信号，保证调节阀精确定位。由此可见，控 制原理完全不同于过去的机械力平衡原理，给定值与实际反馈值的比较完全是电信号， 不再是力平衡，减少了中间传递环节，消除了力传递和转换过程中一些问题，提高了抗 干扰能力。其中电一气转换元件采用压电微型阀，压电阀具有动作速度快、质量小、寿 命长等突出优点，在实现气路平衡的同时，完成电信号到气信号的精确转换。 美国r o s e m o u n t 公司开发出了通用的电子化的电气转换器t y p e 8 4 6 1 4 】；美国的 x o m o x 公司和e l o l m a t i c 公司也开发出了类似的产品；美国a m s o n 公司生产的6 “6 型电一气转换器、4 7 6 3 电一气定位器，都是电子式转换器、定位器的代表。 电一气转换器的研制及其疲劳性能实验研究 ( 3 ) 智能式电一气信号转换器 随着多种微处理器及微型计算机的应用，国外于2 0 世纪5 0 年代推出了带微处理器 的两线制压差、压力变送器，标志着过程控制领域的现场仪表已进入了智能化，并得到 了较快的普及。智能技术已广泛应用于各种测量控制仪表。其主要原因是智能化仪表使 用方便，实际使用精度高、功能强、扩展容易、可靠性高等。而气动执行器发生故障时， 对生产过程影响也非常大。为了提高整个控制系统的可靠性，执行器的智能化也是必要 的。为适应现代化工业生产对过程控制的要求，便于同d c s ( 集散控制系统) 和计算机 接口，电气转换器也必然要向智能化方向发展，并且必定要与将来的全数字化工业控制 相适应1 5 1 。 智能式电一气转换器是对电子式转换器功能的扩展，引入了程序控制以及通信技 术，实现了智能控制器、智能转换器、智能通信器的综合，不但实现了使用软件进行控 制运算，而且实现了对转换器件特性的补偿、诊断、修正以及通信等功能。 大规模集成电路制造技术、控制理论和计算机技术的发展，尤其是微处理器芯片在 仪器仪表中的应用，为转换器、定位器的发展创造了良好的条件。国外各大仪表公司在 传统技术基础上，都在积极进行电子化、智能化的产品开发，代表了当今转换器、定位 器技术的发展方向。自2 0 世纪9 0 年代初，各发达国家主要的工业过程仪表制造厂陆续 推出了新一代智能( s m a r t ) 电气仪表，如美国霍尼威尔( h o ne v w e l l ) 公司的s t 3 0 0 0 系列；福克斯波罗( f o x b o r o ) 公司的8 6 0 系列、8 2 0 s m a r t 系列；贝利( b a i l e y ) 公司的b c n 、p t c 系列；日本富士电机的f c x 系列和德国h & b 公司的a s 系列等等【1 6 1 。 图1 6 智能式电气转换器原理图 f i g 1 6 s c h e m a t i cd i a g r a mo f i n t e l l i g e n te l e e t r o i m e u m a t i cv a v l ep o s i t i o n e r 大连理工大学硕士学位论文 最早是美国尤他州的v a l t e k 公司提出智能管理器w m ( i n t e l l i g e n tv a l v em a n a g e r ) 的全新概念【1 7 】。现在定位器自诊断和通信等功能在不断加强，智能定位器以微处理器为 核心，采用数字定位，加强并扩展了定位器的功能，已经成为各国仪器仪表公司研究、 开发的热点。 图1 6 是德国s i e m e n s 公司生产的智能阀门定位器原理图。微处理器对设定值与 实际阀位的反馈值进行比较，如果检测到偏差很大，就输出一个连续信号，快速响应； 如果偏差较小，则输出数字脉冲信号，以精确定位【1 6 1 。 图1 7 所示是一种以u p 为基础的智能型带控制功能的调节阀，该项研究提出了一 个全新概念的仪器装置。称之为i c v ( i n t e l l i g e n tc o n t r o lv a l v e ) 的这个装置包括阀体、普通 执行机构和电一气转换器、完成控制任务的智能单元i c v 和为其组态的智能编程器i c p 等几部分。 图1 7i c v p 示意图 f i g 1 7 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f i c v p 其设计要点是：将普通电一气转换器加以微机化改造，引入i c v ，因而使其成为： 智能控制器：用软件进行各种智能化控制运算；智能转换器：阀特性修正、补偿、自诊 断等功能；智能通信器：通过两种通信接口，按最佳方式与编程器、上位机通信。i c v p 的独到之处是它采用了i n t e l 公司的微处理器p u p i - 4 4 。这种集有控制任务和通信功能于 一体的芯片使i c v p 既能单独完成就地控制任务，也可以与p l c 、d c s 或其它上位机联 网运行。 日本y a m a t a k e 公司生产的s v p 3 0 0 智能定位器，美国f i s h e r r r o s e m o u n t 公司生产的d v c 5 0 0 0 智能阀门定位器，都是以微处理器为核心的智能化产品【1 8 】。文献 电一气转换器的研制及其疲劳性能实验研究 1 9 】中利用自行设计正平面弹簧结构，成功应用在电一气转换阀门上，拓展了我们的思 路。2 0 0 0 年北京举办的第十一届多国仪器仪表展览会上，出现了日本山武公司的 s v p 3 0 0 0 数字式阀门定位器、美国a b b 公司的智能阀门定位器和f i s h e r r o s e m o u n t 公 司的智能电气阀门控制器。国外这些在工业自动化领域有着多年经验和雄厚技术优势的 大公司对开发新型智能电气转换器、阀门定位器给予了极大的重视i 2 0 。 在同类产品中，f i s h e r - r o s e m o u n t 公司的f i e l d v u ed v c 系列智能型电气阀门控 制器f 2 1 抛】具有很强的典型性和实用性，在国内得到了比较广泛的应用。 输出及通 c p u 及数字单元 讯i 厅单元 乞。，一 i。f 。! 1 离i 降i 斛一撩雕置传兰l 一 图1 8i t v p 智能型电一气阀门定位器结构框图 f i g 1 8 s t r u c t u r ef r a m e w o 血o f m t e l l i g e n te l e c t r o - p n e u m a t i cv a l v ep o s i t i o n e r 国内从事自主开发转换器和定位器的研究、生产已经有几十年，但是，从事新产品 的开发能力不强，尤其是电子化、智能化研究刚刚起步。近几年，智能产品的开发引起 了我国各科研单位和仪表企业的重视，由于起步较晚，还处于研制的初始阶段。北京化 工大学对基于f f 协议的智能阀门定位器进行了开发研究，提出了f f 智能气动阀门定位 器的硬件设计、软件设计以及f f 通信实现的方案【矧。清华大学m o t o r o l a 单片机应用开 发研究中心正在开发支持h a r t 协议的智能低功耗二线制电一气阀门定位器【2 4 】。四川 大学把模糊控制引入智能阀门定位器控制系统1 2 3 1 1 2 5 1 。大连理工大学在自主研发压电阀的 基础上，引入单片机控制系统，取得良好的实验效果。重庆川仪十一厂有限公司开发了 具有自主知识产权的h v p 智能型电一气阀门定位器其结构框图如图1 8 所示t 2 们，控制 思想和结构设计达到国外同类产品的水平，为气动执行器产品智能化走向实用打下了坚 实的基础。 一8 大连理工大学硕七学位论文 1 2 2 电气转换器、定位器发展趋势 随着我国工业生产规模的扩大，自动控制水平的提高，对气动执行器控制精度，运 行可靠性的要求也越来越高，作为调节阀的控制元件，电一气转换器、定位器必然向如 下几个方向发展 2 7 - 2 8 1 。 ( 1 ) 智能化 执行器智能化正在以其独特的优势受到各行各业的青睐，在许多石油化工企业，气 动执行器位置高，工作环境恶劣，监控与维护极其困难，调节阀性能不稳引起的停产给 企业带来生产困难。智能定位器由于以微处理器为核心不受环境影响，调校方便快捷， 易于维护，可以实现远程监控，代表了定位器的发展方向。以美国f i s h e r 公司生产的 智能定位器为例，仅调节器上就集成了五个传感器，调节阀上、下两个气室压力，气源 压力，阀杆位移，流过介质温度。使控制的三个过程：测量、决断、执行于一体，极大 提高了控制的精确性和灵活性。 ( 2 ) 数字化 无论是以前的3 1 5 p s i 气动信号，还是现在现场通用的4 2 0 m a 直流电流信号，都 是模拟信号，并且信息只能单向流动。随着数字通信技术的发展，数字技术必将应用于 自动控制领域，这和现场总线技术要求相一致，使其具备数字计算和通信的能力。目前， 大多是利用h a r t 数字信号叠加于4 2 0 m a 模拟信号上，也就是说，模拟信号与数字信 号混合使用。具有纯数字双向通信，满足基金会现场总线( f i e l db u s ) 技术规范是智能 现场仪表发展的必然趋势。 ( 3 ) 节能化 近年来，各行各业节能的呼声越来越高，气动技术也不例外，气动节能主要指降低 电力消耗和气量消耗。压缩空气由压缩机产生，减少空气消耗量就是降低压缩机电力消 耗。传统电一气转换原理在执行器处于稳定状态时，也要连续消耗压缩空气，压电微型 阀采用开关原理，在系统状态稳定时，切断气源，大大减少了气源消耗。此外，流过压 电阀的电流很小，功率消耗低。采用这种消耗能源低、反应快、性能稳定、寿命长的电 一气转换装置必然成为发展的主流。 1 3 本课题的研究意义及主要研究内容 1 3 1 本课题的来源及研究意义 本课题是辽宁省自然科学基金项目，同时也是科技部中小企业创新基金项目及鞍山 市科委立项的科技攻关项目。 电一气转换器的研制及其疲劳性能实验研究 我国从五、六十年代开始就对电一气转换器进行了研制，但基本上都是基于机械力 平衡原理。尽管这种机械结构电一气转换器传递环节多、机构复杂、故障率高、易磨损 等缺陷，但由于价格便宜，目前在国内一些传统企业里仍在使用。近几年，国外各大仪 表厂商，例如美国布兰特公司、德国西门子等早已对广阔的中国市场跃跃欲试。它们从 1 9 9 6 年开始，便以展销、试销、培训等方式向中国用户推荐新一代电子式或智能式电一 气转换器( 定位器) 产品，但由于售价过高且性能不甚稳定，所以至今未能打开中国市 场。国内到目前为止，也只有重庆川仪十一仪表厂研制成功了智能式电一气定位器并投 入生产，就全国范围来说，这是远远不够的。而且根据中国实际情况，市场上急需的是 性能稳定、价格低廉、能代替传统机械结构的智能式电一气转换器。因此，积极开展这 方面的设计理论和实际生产的研究迫在眉睫1 2 9 1 。 目前，我国机电自动化产业正处于对传统产业进行改造和建立现代企业制度的关键 时期，其中自控、化工、热工仪表等行业中的各种传统仪器仪表亟待更新换代。压电式 电一气转换器的研制，可创建国产品牌，实现我国自控仪表的升级换代，通过该项目产 品的系列化与产业化，将大大提高我国自控仪表行业电一气转换器元器件的水平和挡 次，为将来自控仪表器件参与国际竞争打下颦实的基础。 1 3 2 压电式电一气转换器的总体设计方案 信号输入 气源 0 1 4 m p a 图1 9 压电式电一气转换器方案 f i g 1 9 s c h e m eo f p i e z o e l e c t r i ce l e c t m l - p n e r m a t i ct r a n s d u c e r 压电式电一气转换器的总体框图如图1 9 所示。其中实箭头为电信号工作路径，空心 箭头为气压信号传输路径。控制室以两线制的方式输出控制信号4 2 0 m a d c ，经信号 大连理工大学硕士学位论文 电源分离模块分离出控制信号和电源，其中控制信号经过输入保护后送入控制模块，控 制模块根据输入信号输出信号来控制电一气转换模块，使其输出相应的气压信号，此气 压值再经过精密固态压力传感器反馈至控制模块，如此形成闭环控制，当气压反馈值与 设定值相等时，电气转换器就输出稳定的气压信号。 1 3 3 本论文的主要研究内容 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 针对压电式电气转换器的使用环境以及使用条件，设计正交实验测出影响压电 复合圆盘的主要因素以及次要因素，并且验证压电复合圆盘的疲劳性能。 ( 2 ) 利用a n s y s 软件对压电双晶片进行二维可靠性分析，计算出结构尺寸对其性 能影响的敏感度分布。 ( 3 ) 利用分级控制的思想，改进设计了电气转换器的一种开关式转换装置，提出了 整体设计方案及其控制策略。 ( 4 1 改进完善电气转换器的控制电路，并完成相应的控制程序设计。 ( 5 ) 对转换器进行整机调试实验，测试了电一气转换器的主要性能，包括整机精度、 稳态过渡过程性能、试件漂移性能。 电一气转换器的研制及其疲劳性能实验研究 2 压电式电一气转换器转换模块的研究 2 1 压电物理基础 2 1 1 压电效应的定义 1 8 8 0 年，j a c q u e sc u r i e 和p i e r r ec u r i e 兄弟首先在口石英晶体上发现了压电效应， 由此开始了压电学的历史。1 8 8 1 年，g l i p p m a n 根据热力学原理，借助能量守恒和电量 守恒定律，预见到逆压电效应的存在，同年，c u r i e 兄弟通过试验验证了逆压电效应， 并且获得了石英晶体的相同的正逆压电常数。 当对压电元件施加机械力时，会引起它内部的正负电荷中心发生相对位移而产生电 极化，从而导致元件的两个表面上出现符号相反的等量束缚电荷，电荷密度与外力成正 比，这种现象称为正压电效应。正压电效应反映了压电元件将机械能转变为电能的能力。 利用正压电效应可以制成压电式力、速度或加速度传感器等。 反之，若将压电元件置于外电场中，会引起其内部正负电荷中心产生相对位移，导 致压电元件的变形，这种现象称为逆压电效应o “。逆压电效应则反映了压电元件将电能 转变为机械能的能力。利用逆压电效应可以制成压电式位移或力输出器，作为物性型执 行器等。 2 1 2 压电陶瓷材料 压电效应的早期研究主要是针对罗息盐和石英晶体进行的。3 0 年代发现了铁电 k d p ( 磷酸二氢钾) 及与之同型的一系列晶体，但压电材料及其应用取得划时代的进展开 始于第二次世界大战中美国、日本和前苏联分别独自发现的b a t i 0 3 陶瓷，这也为压电 陶瓷的大规模应用掀开了序幕。 压电陶瓷是通过氧化物混合( 氧化锆、氧化铅、氧化钛) 高温烧结，粉粒之间发生固 相反应后无规则集合而成的具有压电性的多晶体。压电陶瓷具有类似铁磁材料磁畴结构 的电畴结构，在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互 抵消，内部极化强度为零。所以压电陶瓷材料作执行器之前要进行人工极化。 电场和极化是矢量，应力和应变是张量。要使压电体的压电的相互作用存在，就必 须使介质具有极性。在缺乏中心对称的晶体里，这种极性是固有的，而在其它的晶体和 各向同性的介质里，原则上，这种极性是不存在的。正是因为这样，压电效应虽早在十 九世纪就被发现了，但直到二十世纪四十年代，人们才理解了压电陶瓷这个术语。现在， 大连理工大学硕士学位论文 大家都知道，要获得压电性所需的极性，可以通过暂时施加强电场的方法，从一块原来 是各向同性的多晶体陶瓷得到，并且多少有点永久性，这一过程称为“极化”过程，它 与永久磁铁的“磁化”过程相类似。压电陶瓷的极化过程如图2 1 所示。 图2 1 压电陶瓷体的极化过程 f i g 2 1t h ep o r l a r z i n go f t h ep i e z o e l e o r i cg c t a n l i c 2 1 3 压电陶瓷双晶片 压电陶瓷在外电场的作用下，会引起材料的机械变形，根据压电陶瓷的横向和纵向 效应，压电执行器主要有叠堆和双晶片啪1 两种结构。与叠堆结构相比，双晶片可以获得 较大的位移量。双晶片是由两种不同应变的压电片组成，或者由一片压电片与一固定悬 臂梁或圆片等组成。双晶片通常有悬臂梁和复合圆盘两种结构，圆盘结构懈1 使用更加广 泛。以双晶片悬臂梁结构为例，其结构有四种形式，如图2 2 所示。复合圆盘结构与悬 臂梁结构只是形状上的差别，两种结构的工作原理是相同的。即在外电压的作用下，两 片晶片的差动作用形成弯矩，使双晶片发生弯曲变形。 a ) 图2 2 0 ) 双晶片由极化方向相背的两片压电片组成，中间无电极，驱动电压通 过上面和下面的两个电极施加，每一片的电场强度e = u 2 t 。所以这种结构的双晶片叫做 串联型双晶片。 b ) 图2 2 ( 2 ) 双晶片由极化方向同向的两片压电晶片组成，两片中间是厚度可以忽 略的内电极，引出导线接到驱动电源的一极；上表面和下表面的两个电极接到一起，共 同接到电源的另一极。每一片压电片内的电场强度e = u ，t 。这种结构叫做并联型双晶片。 c ) 图2 2 ( 3 ) 双晶片是由压电元件两个表面被覆电极与非压电元件完全接合组成 的。非压电元件通常是金属，如铜、钢和铝，可以直接充当一个电极；也可以是介质材 料，如玻璃和硅。 d ) 图2 2 ( 4 ) 双晶片是在( 3 ) 型的基础上为了加大变形量，在非压电元件( 一般为金属) 的另一侧再贴一片压电片。( 4 ) 型与( 2 ) 型结构类似，只是相当于增加了( 2 ) 型的电极厚度。 + 极化电压 一 电一气转换器的研制及其疲劳性能实验研究 与( 2 ) 型相比，( 4 ) 型的结构刚度加强，但变形量减小；与( 3 ) 型相比，( 4 ) 型的变形量加大。 回 图2 2 压电双晶片的结构类型 f i g 2 2 t h es t r u c t u r e so f t h ep i e z o e l e c t r i cc o m p o u n dd i s k 铜电极压电圆片 图2 3 压电复合圆盘结构 f i g 2 3 s t r u c t u r eo f p i e z o - e l e c t r i cc o m p o s i t ep l a t e 压电陶瓷材料如p z t 、b a t i 0 3 和z n o ，一般都沿极化方向施加电场。当e 与p 同 向时，压电体沿z 向伸长，而x 、y 平面收缩。相反，当e 与p 反向时，压电体沿z 向缩短，而x 、y 平面扩张。而用p v f 2 为压电材料的双晶片具有正的4 3 1 ，当e 与p 同向时，压电薄膜会在x 、y 平面扩张。一片不与外界其他物体接触的压电片，在各方 向的伸长和缩短是不受约束的。但是，双晶片的两压电片被粘在一起，电场作用使一个 有伸长趋势、另一个有缩短趋势时，在粘贴面上的运动受到约束，因而产生弯矩，导致 双晶片弯曲。如果压电陶瓷晶片为圆盘型，则压电双晶片又叫压电复合圆盘。其结构如 图2 3 所示。 辛 大连理工大学硕士学位论文 2 2 压电式电一气转换器喷嘴挡板转换装置 2 2 1 喷嘴挡板转换装置机械结构 本课题是在薄膜电子式电一气转换器的基础上开发的一种智能压电式电一气转换 器。其机械部件是基于压电双晶片结构、喷嘴一挡板转换原理而构成的，它的突出特点 是由压电复合圆盘作挡板，其结构如图2 4 所示【3 虮。 4 气压输出 气压输入 1 ) 压电复合圆盘2 ) 喷嘴3 ) 上端盖4 ) 下端盖5 ) 下壳体6 ) 锥形节流阀 图2 4 双晶片复合圆盘结构电一气转换装置 f i g 2 4 s t r u c t u r eo f e p lw i t hp i e z oe l e c t r i cc o m p o s i t ep l a t e 如图2 4 所示，压电复合圆盘固定在上、下端盖之问，上端盖和下壳体以螺纹连接， 旋转上端盖即可灵活调整双晶片的初始位置；调节锥形节流阀即可调整转换器的气路特 性。在结构参数一定的情况下控制外加电压就可控制挡板与喷嘴之间距离从而可控制 输出气压值。 用这种方式进行电一气转换具有以下特点： ( 1 ) 结构上采用插头式的模块形式。采用这一形式便于用户进行现场维修，当电一 气转换器出现故障时，一般只须拔下电一气转换模块，换上新模块即可，不需要重新接 线和断开管路，维修过程不改变实际的作业流程。 ( 2 ) 由于压电陶瓷的阻抗很高，所以这种控制阀的优点是功耗极低，易于实现二线 制仪表和本安防爆。此外，它动作速度快、质量轻，因而在震动较大的环境中仍能可靠工 作。 ( 3 ) 压电双晶片是唯一可动元件，且它以极长的工作寿命而著称，而且由于其具有 极好的静态和动态响应特性，可以用微控制器来控制，因而能够达到很高的控制精度和 很好的动态响应特性。 电一气转换器的研制及其疲劳性能实验研究 2 2 2 喷嘴一挡板机构及其气路特性 ( 1 ) 喷嘴一挡板机构的工作原理 2 (a)(b) ( 1 ) 恒节流口( 2 ) 背压室( 3 ) 喷嘴( 4 ) 挡板( 5