（机械制造及其自动化专业论文）压电式电气转换器结构设计与实验研究.pdf

摘要 电一气信号转换仪表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。电气转换器的发展经历了机械式、电子式 以及智能式三个阶段。综合分析国内外相关领域的研究现状，电子化和智能化将是 电一气转换器领域发展的必然趋势。 本课题是辽宁省创新资金资助项目，也是国家科技部科技型中小企业创新基 金和国家自然科学基金资助项目的延伸。本课题完成了压电式电一气转换器的性能 优化，论述了压电式电一气转换器的实现方法、参数组合及关键技术，并进行了相 关的理论与实验研究。 压电式电气转换器的核心元件是电一气转换装置( 转换阀) ，这里使用的是压 电复合圆盘，对它的要求是反应灵敏、性能稳定。本文在转换装置初步设计的基础 上，通过薄板小挠度弯曲近似解法中的能量法以及板的瑞利一里茨法，并借鉴压电 振子的振动解法，推导出复合圆盘驱动位移模型，找到了影响复合圆盘静态弯曲位 移的主要因素：最后通过实验研究，证明了所建压电双晶片弯曲位移模型的正确 性。 利用正交实验得到了压电复合圆盘三个主要参数( 压电陶瓷的直径、厚度以及 中间铜电极的厚度) 的最佳组合，大大降低了驱动电压，并且改善了压电式电一气转 换器的各项性能参数。并在此过程中，优化了实验方法以及压电式电一气转换器的 实现方法，从理论以及实验两方面得到了气压一电压以及位移一电压的关系。 在静态参数优化的基础上，进行了压电式电一气转换器动态性能的优化。利用 a n s y $ 有限元分析以及实验找到了三个主要参数对于压电式电一气转换器固有频率 的影响趋势，得到了三个参数的最佳组合。 通过综合考虑动态以及静态特性，得到了使压电式电一气转换器性能最佳的参 数组合，大大优化了其性能，并为压电式电一气转换器的产品化打下了坚实的基 础。 关键词：电气转换器；压电复合圆盘：驱动电压；固有频率 a b s t r a c t p i e z o e l e c t r i c e l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t o ri su s e dt oa c c o m p l i s ht h ec o n v e r s i o n b e t w e e nt h ee l e c t r i c a l s i g n a la n dt h ep n e u m a t i cs i g n a l i ti sa ni n d i s p e n s a b l es i g n a l c o n v e r t i n gi n s t r u m e n ti na na u t o m a t e ds y s t e m t h e r ea r et h r e es t a g e so fi t ，w h i c ha l et h e m a c h i n e r yt y p e ，e l e c t r o nt y p e a n di n t e l l e c t u a l t y p e ，w h i l e t h ee l e c t r i c i z a t i o na n d i n t e l l i g e n c ea r eb e c o m i n gt h et r e n do f i t t h es u b j e c th a sf i n i s h e dt h e p e r f o r m a n e eo p t i m i z a t i o no fp i e z o e l e c t r i ce l e c t r o p n e u m a t i cc o n v e r t o r ，e x p o u n d e dt h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d ，p a r a m e t e r sc o l l o c a t i o na n d t h ek e y t e c h n o l o g yf o rt h eo d n v e r t o r i pc o n v e r t o ru n i ti st h ek e m e lo ft h ep i e z o e l e c t r i c e l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t o r h e r ei ti st h ep i e z o e l e c t r i cc o m p o u n dd i s k t h e r e q u e s tt o i ti s r e a c t i n gs e n s i t i v e l y ， p e r f o r m i n gs t e a d i l y o nt h eb a s i so f t h ed e s i g no f t h ec o n v e r t o r ，t h ed i s p l a c e m e n tm o d e l o ft h ei th a sb e e nd e r i v e do u ta c c o r d i n gt ot h ee n e r g ym e t h o di nt h el i t t l e f l e x i b i l i t y b e n d i n go ft h et h i ns h e l la n dt h ev i b r a t i o nm e t h o d t ot h ep i e z o e l e c t r i cv i b r a t o r a n da l s o t h em a i nf a c t o r sf o rt h ec o m p o u n dd i s kb e n d i n gd i s p l a c e m e n th a v eb e e ng o t s t u d i e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，t h ee x a c t n e s so f t h ep i e z o - b i m o r p hb e n d i n gd i s p l a c e m e n tm o d e l h a sb e e ns u c c e s s f u l l yp r o v e d t h r o u g ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d ，t h ec o l l o c a t i o n o ft h et h r e em a i n p a r a m e t e r s ( t h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sd i a m e t e r ，t h i c k n e s sa n dt h ec o p p e re l e c t r o d e s t h i c k n e s s ) o fp i e z o e l e c t r i cc o m p o u n dd i s ki sg o t a l s o ，t h ed r i v i n gv o l t a g eh a sb e e n r e d u c e dg r e a t l y m a n yp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ec o n v e r t o rh a v eb e e ni m p r o v e d i n t h em e a nt i m e ，t h ee x p e r i m e n tm e t h o da n dt h e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o dh a v e b e e n o p t i m i z e d t h er e l a t i o n s h i p so f t h ea i rp 1 e s s u r e - v o l t a g ea n d d i s p l a c e m e n t - v o l t a g eh a v e b e e nr e c e i v e db o t hi nt h e o r ya n di ne x p e r i m e n t 。 o nt h eb a s i so ft h eo p t i m i z a t i o no ft h es t a t i cp a r a m e t e r s ，t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c e o fc o n v e r t e rh a v eh a sa l s ob e e no p t i m i z e d a c c o r d i n gt ot h ea n s y sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c i n gt e n d e n c yo f t h et h r e em a i nf a c t o r sh a sb e e ng o t ， a l o n g w i t ht h eb e s tp a r a m e t e r sc o l l o c a t i o n b yt r a d i n go f ft h e s t a t i ca n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ss y n t h e t i c a l l y ，t h eb e s t p a r a m e t e r s c o l l o c a t i o nh a sb e e n g a i n e d i t h a s i m p r o v e d t h e p e r f o r m a n c eo ft h e p i e z o e l e c t r i ce l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t o rg r e a t l y ，a n d l a i das o l i df o u n d a t i o nf o rt h e f u t u r ee x p e r i m e n ta n d p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t o r ；p i e z o e l e c t r i cc o m p o u n dd i s k ； d r i v i n gv o l t a g e ；i n h e r e n tf r e q u e n c y i i 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己在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：啦日期：2 型- 堕卫 压电式电r 气转换器结构设计与实验研究 1 绪论 1 1 电一气转换器综述 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一“1 ，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。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。其中，信息的执行完 全由执行器来承担，执行器在自动化系统中是三大支柱之一。 现代执行器根据工作能源不同，分为三大类”“：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。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。 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。 目前，气动执行器的使用数量约占执行器总数的9 0 。 气动执行器的缺点是滞后大，气压信号传递速度幔，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 量方面都比气压信号方便得多，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。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间的转换4 1 ， 电气阀门转换器或定位器就是完成电信号到气压信号之间转换的仪表。 图卜1 为电动与气动仪表采用不同的执行器互相转换示意图。 图卜1 电动与气动仪表互相转换示意图 f 培1 1t h e s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fc o n v e r t i o nb e t w e e ne l e c t r i ca n dp n e u m a t i c l 压电式电一气转换器结构设计与实验研究 1 ，1 2 电一气转换器、定位器在国内外的技术现状 1 1 _ 2 1 电一气转换器定义以及工作原理 如上所述，电一气信号转换仪表是一种完成电信号到气压信号之间转换的装 置，它将4 2 0 m a 的电流信号转换成0 0 2 o i m p a ( o 2 l k g c m 2 ) 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卜2 所示“。 图中，为被调量的设定值；j ，为被调量；y 。为被调量的测量值；弹为控制器的输 图卜2 电一气转换器的典型应用 f i g i - 2 聊枷a 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 cc o n v e r t o r 出信号；，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。 工业生产自动控制( 过程控制) 主要针对六大参数，即温度、压力、流量、 液位或物位、成分和物性等参数的控制问题，覆盖诸如石油、化工、电力、冶金、 轻工、纺织、造纸及医药等各行各业。电一气转换器是沟通电动仪表与气动仪表 之间的混合应用的转换环节，还为过程控制计算机配用气动终端执行器提供便捷 的转换通道，因此具有极其重要的地位。 1 1 2 2 电等转换器、定位器在国内外的技术现状 根据电气信号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、电子式以及智能式电- 气信号转换器”“。 ( 1 ) 机械式电一气转换器 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、电一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。 2 压电式电一气转换器结构设计与实验研究 机械力平衡原理如图卜3 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。在磁钢的永 久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 1 喷嘴：2 挡板；3 导磁体：4 支点：5 平衡锤； 6 艘绞管：7 | 放大器；8 气阻，调零弹簧 图卜3 机械式电气转换器原理图 f i g 1 - 3 盯1 es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f e l e c t r o - p n e u m a t i cv a v l ep o s i t i o n e rw i t hm e c h a n i c a ls t r u c t u r e 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。 图1 - 4 是美国s a m s 0 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；图卜5 是日本山武霍尼韦尔公司生产的h e p 电一气 阀门定位器工作原理图，控制原理与上述基本相同；我国上海长城自控设备有限 6 7 气源 2 1 挡板：2 喷嘴：3 平衡粱；4 弹簧；5 机械调霉；6 柱塞线圈；7 永久磁铁 图i - 4 机械力平衡原理电一气转换装置图 f 电1 - 4s 加l 曲l 心o f e l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v c m rd e v i c ew i t hp r i n c i p l eo f f o r c eb a l a n c e 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o e d 2 0 0 0 电一气转换器、e p 3 0 0 0 电气阀门定位器、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。机械力平衡结构缺点是：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 压电式电一气转换器结构设计与实验研究 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“”。 ( 2 ) 电子式电一气信号转换器 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 输入 喷嘴 输 出 图卜5h e p 定位器原理框图 f i g 1 - 5t h es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f h e p p o s i d o n e x 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 s o p c 。美国的x o i o x 公司和 e l 一0 - m a t i c 公司也开发出了相类 似的产品。其主要原理见图卜6 ： 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 s o 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 图卜6k s o p o 原理 f i g 1 - 6t h es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f k s o p c 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 研制开发的这种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，其逶用性不强。 图卜7 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 压电式电一气转换器结构醍计与实验研究 气源二= 2 = 爿稳压器 哐困一i 鑫氛 万仁调节阀i 图卜7e p 2 3 0 0 2 4 0 0 电子式电一气阀门定位器原理图 f i g 1 - 7 t h es c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f e p 2 3 0 0 2 4 0 0e l e c t r i c a l e l e c t r o - p n e u m a t i c v a v l e p o s i t i o n e r 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。 另外，如美国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 。 其原理及转换装置如图1 - 8 、卜9 所示。在工作过程中，固态压力传感器实时测 量气动放大器的输出压力将压力信号转换为电流信号反馈给控制电路“”。 ( 3 ) 智能式电一气信号转换器 i n p u tc u r r e n t 4 t o2 0 m a d c ? 1 e l e c t r o n i cci r c u i tl i s o l i d s t a t e i m a g n e t i ca c t u a t o rl l p r e ss u r e i p i l o ts t a g e l s e n $ o l i i b o o s t e rs t a g e l 0 u t p u tp r e s s u r e 2 0t o1 0 0k p a 图卜9t y p e 8 4 6 电一气转换装置 瞄卜8t y p e 8 4 6 原理固 f i g 1 9e l e c t r o 。p n e u m a t i ci n v e r t e rd e v i c eo f t y p e 8 4 6 f i g i 8t h es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t y p e 8 4 6 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。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1 ：3 ，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“”。 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，而且可以实现转换器件特性的补偿、诊断、修正以及通信等 压电式电一气转换器结构设计与实验研究 功能。 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 n e y 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 6 i 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“”。 最早是美国尤他州的v a l t e k 公司提出智能管理器i v m ( i n t e l l i g e n tv a l v e m a n a g e r ) 的全新概念o ”。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。 图卜1 0 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。微处理器将实 际阀位的反馈值与设定值进行比较，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“”。 图1 - 1 0 智能型电一气阀门定位器原理图 f i g 1 - 1 0 t h es c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f i n t e l l i g e n t e l e c t r o - p n e u m m i c v a v l e 图1 1 l 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、普通执行机构和电气转换器、完成控制任务的智能单元i c y 和为其组态的智能编程器i c p 等几部分。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 y ，因而使其成为( 1 ) 智能控制器：用软件进行各种智能 化控制运算；( 2 ) 智能转换器：阀特性修正、补偿、自诊断等功能；( 3 ) 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。 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 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( 图卜1 2 ) ，都是以微处理器为核心的智能 化产品“”。文献 2 0 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 压电式电气转换器结构设计与实验研究 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。“。 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 圈1 1 1i c v p 示意图 f i g 1 11n es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f i c v p u 型 弹性粱 喷嘴 、 线匿 图1 - 1 28 d v c s 0 0 0 定位器中电气转换装置 f i g 1 - 1 2e l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t e rd e v i c e o f 8 d v c 5 0 0 0p o s i t i o n 门控制器婚喇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。 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。在国际大趋势的 带动下，现在已经逐步认识至n 进行工业现场技术改造的迫切性。为此，一些厂家 和研究部门在消化理解国外公司同类产品的基础上，对智能电一气转换器、阀门 定位器进行了探索和研究。 输出及通讯 c p u 及数字单元 i ，f 单元 f i 什帮削銎 i e 牌一0 感嚣i | 一 图1 1 3h v p 智能型电一气阀门定位器结构框图 f 酶l 1 3 s t n c t u r ef r a m e w o r ko f i n 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 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 通信实现的方案啉1 。清华大 学m o t o r o l a 单片机应用开发研究c p , c a e 在开发支持姒r t 协议的智能低功耗二线 压电式电一气转换箍结构设计与实验研究 制电一气阀门定位器3 。四川大学把模糊控制引入智能阀门定位器控制系统】 “。 大连理工大学在自主研发压电阀的基础二，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的具有自主知识产权的h v p 智能型电一气 阀门定位器结构框图如图卜1 3 所示啪3 ，其控制思想和结构设计均达到国外同类 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。 1 1 3 电一气转换器、定位器发展趋势及策略 1 1 3 1 电一气转换器、定位器的发展趋势 随着我国工业生产规模的扩大， 度，运行可靠性的要求也越来越高， 位器必然向如下几个方向发展汹“。 1 智能化 自动控制水平的提高，对气动执行器控制精 作为调节阀的控制元件，电一气转换器、定 执行器智能化正在以其独特的优势受到各行各业的青睐，这是执行器行业的 总趋势。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。 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置消耗。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 1 3 2 电一气转换器、定位器的发展策略 气动执行器在工业现场应用越来越广泛，智能定位器的发展和现场总线技术 的成熟，给工业自动化生产带来了深刻的变革。综合看来，尽管我们这方面的工 作起步较晚，被国外拉开了一段距离，但差距并不很大，只要对此充分重视，不 满足于“拿来主义”，充分发挥我国科技人员和工厂技术人员的才能，建立我们 自己的科研、生产、应用体系，就一定能赶上去。单靠引进，只能被动的跟在别 人的后面。我们必须高起点投入，开发电子化、智能化产品，早日实现自主规模 生产。 1 科研和生产相结合，科研要为生产服务。尤其在今天我们一线的技术开发 人员不足的情况下，各科研所或有实力的高校与各仪表生产基地相联手。选题来 自生产实际，重点解决质量、品种、系统和效益问题。例如：鞍山自控仪表股份 压电式电一气转换嚣结构设计与实验研究 有限公司与大连理工大学合作生产的q z d 2 0 0 0 电子式电气转换器已经成功投放 市场。 2 引进和创新相结合，实行“引进、消化、吸收、创新”的方针。对引进国 外的先进技术，要在应用中创造自己的特色，这是提高我国开发与创造水平的有 效途径。但是，不得不注意到在我们引进的同时，也出现了重引进，轻消化吸收， 忽视创新的问题。因为企业自主开发体系不健全和技术水平不离，致使引进水平 国产化缓慢，等到国产化时，产品技术水平已落后，不得不再引进。因此，必须 增加仪器仪表行业科技人员的数量和资金的投入，创造出中国仪器仪表行业的民 族品牌。 1 2 压电式电一气转换器的研究及其应用 1 。2 1 压电陶瓷材料研究现状 压电材料在智能结构的应用中的主要优点有以下几个方面1 ： ( 1 ) 压电材料具有正逆压电效应，这使得压电材料在智能结构中既可作传感 元件又可作驱动元件； ( 2 ) 频响范围宽； ( 3 ) 压电效应有较好的线性关系； ( 4 ) 压电材料的输入输出均为电信号，易于测量与控制； ( 5 ) 压电材料功耗低； ( 8 ) 压电材料容易加工得很薄，特别适合于柔性结构； ( 7 ) 压电材料在柔性结构的控制中作传感器时不需要参考点，而作为执行器 也不需要支承点； ( 8 ) 压电材料的制备技术也日趋完善和成熟。 因此，压电材料被广泛地应用在智能结构中作传感器和执行器。 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、日本和前苏联分另独自发现的b a t i o s 陶瓷，这也为压电陶瓷的大规模应用掀开了序幕1 。 在科研生产中广泛应用的铁电压电材料都是以单晶或陶瓷的形式存在的。压 电陶瓷以陶瓷工艺制作，与单晶相比，它具有以下特点： ( 1 ) 制法一般比单晶容易i ( 2 ) 非水溶性，化学、物理性能稳定； ( 3 ) 可制成任意形状的元件，可按不同用途选取适当的极化轴方向； ( 4 ) 通过组成变化，可比较容易的使其性能按照使用目的要求而变化； ( 5 ) 成本低廉，适合大规模生产。 压电材料是电子陶瓷领域重要的一个方面，随着科学的发展，人们对物质结 构的了解更加深入，人们将会发现性能更为优良的压电材料。 1 2 2 压电执行器研究现状 压电执行器是利用压电材料的逆压电效应，通过施加控制电压使压电执行器 本身变形来对结构产生驱动作用，是一种应变执行器。压电执行器产生的驱动力 较小，多用于柔性结构的振动主动控制中。 通常压电执行器主要有叠堆、双晶片两种结构。近几年，为了增大压电执行 9 压电式电一气转换器结构设计与实验研究 器驱动位移和承载力，根据双晶片驱动原理，人们又扩展了几种其它结构模式。 6 图卜14 叠堆结构驱动位移示意图 f i g 1 1 4s c h e m a t i cv i e wo f d r i v e nd i s p l a c e m e n t o f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i cs t a c ka c t u a t o r 1 叠堆结构 图1 - 1 5 双晶片结构弯曲位移示意图 f i g i 一1 5s c h e m a t i cv i e wo f d i s p l a c e m e n t o f p i e z o e l e c t r i cb i m o r p ha c t u a t o r 如果采用单层晶片来产生所需的应变变形，将要求在晶片两极施加很高的电 压，用多片压电片叠起来的压电叠堆可以在一定程度上解决压电执行器驱力小的 问题，如日本从航天结构振动主动控制可实现性的角度研制的压电堆式执行器， 可以产生1 0 0 0 n 以上的驱动力，但质量也在2 k g 以上，在实际应用中也受到了限 制。如图1 - 1 4 所示，这样便可以利用较低的电压获得较大的叠加变形，具有承 载力大、响应快、位移可重复性好、电场控制相对简单等优点，其缺点是位移量 较小、电容高。 ( a ) 虹形结构 ( a ) s t r u c t u r eo f r a i n b o w 一“一 压电陶瓷 粘接剂 ( b ) 弹珠形缩构 ( b ) s t r u c t u r eo f m o o r d e 金属帽锭电板空隙 l 压电陶瓷 金属牯结荆 ( c ) 钹形结构 ( c ) s t r u c t u r eo f c y m b a l 图1 - 1 6 其它几种常用执行器结构 f i g 1 - 1 6s e v e r a ls t r u c t u r eo f f r e q u e n tp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r 2 双晶片结构 压电式电一气转换器结构设计与实验研究 图卜1 5 是典型的双晶片悬臂梁结构，将两片压电片双面对称粘贴在一块弹 性梁上通电压后，一片伸长，一片缩短，从而造成整体的弯曲，和叠堆结构相 比较，双晶片结构能获得较大的位移，缺点是因为利用双晶片弯曲变形，响应速 度较慢，产生的力也不大。 3 其它结构口卜嘲 图卜1 6 是其它几种常用执行器结构，图中( a ) 虹形结构是一种集还原和压电 介质于一体的新型压电驱动器，1 9 9 4 年由h a e r t l i n g 首先提出，通过将压电陶 瓷圆片在高温下由石墨还原的特殊制备工艺，大致形成压电陶瓷层和还原层自然 结合的两层结构，冷却后由于两层收缩率不同产生了独特的拱形器件，驱动器 能获得超大位移量又有一定的承载能力。( b ) 是弹珠形压电陶瓷金属复合体结构 的截两示意图，中闽是涂有电极的压电陶瓷圆片，上下是金属帽，压电陶瓷与金 属帽之间为月牙型空隙，二者的接触部位要紧密不产生相对移动。这种新型的驱 动器在减振器件及智能系统，特别是汽车工业上有很大的应用潜力。( c ) 是钹形 结构截面示意图，这种结构复合体中金属帽为铙钹形状，它具有比m o o n i e 型结 构更简单的制作方法和更大的位移和承载力。几种常用压电结构执行器主要特征 列于表卜l 。 表1 - i 常用压电结构执行器主要特征 特征叠堆双晶片虹形弹珠形钱形 5 5 1 2 71 2 7 1 0 0 6 面宽1 2 7面宽1 2 7面宽1 2 7 尺寸 长宽x 厚长宽厚厚o 5厚1 7厚l 7 驱动电压v 1 0 01 0 04 5 01 0 01 0 0 位移“m1 03 52 02 04 0 接触面积m 2 51 ll3 驱动力n9 0 00 5 ll 331 5 位置与位移的关系无顶部最大中心最大中心最大中心最大但更靛 荷载下稳定性非常商非常低低高低 最快响应时间us l 51 0 01 0 05 5 05 5 0 浇注成型并在粘结陶瓷元件在9 5 0 下还粘结陶瓷元件粘嫡陶瓷元件在 制鲁方法 1 2 0 0 1 c 下共烧在薄金属片上原陶瓷元件在金属帽上金属帽上 费用高低中等中等低 1 2 3 压电双晶片的研究进程 根据压电陶瓷的横向和纵向效应，压电执彳亍器主要有叠堆和双晶片两种结 构。和叠堆结构相比，双晶片具有单位电压变形大的突出优点。双晶片是由两片 形状相同的压电片对称粘贴在弹性梁的两侧，或直接粘贴在一起。根据压电片的 形状不同，现在压电双晶片已经广泛应用于电声转换器，如扩音器、麦克风和拾 取器，以及泵和阀“”等装置中。 压电双晶片理论方蕊的深入研究，出现于9 0 年代。以美国b o s t o n 大学的 s m i t s 为首的研究小组和以美国陆军研究室的a b a l l a t o 为首的研究小组在这方 面作了许多工作。1 9 9 0 年，s m i t s 等根据压电本构方程、热力学理论及材料力学 理论详细分析了悬臂粱式压电双晶片，当外部激励为作用在自由端的力f 、力矩 m 、体载荷p 、外加直流电压v 时，响应为自由端的位移量6 、偏转角n 、体 位移，、电极电荷q 时，激励与响应间的关系为” 压电式电一气转换器结构设计与实验研究 ( 口，托o ) = b ( m ，f ，p ，矿) 7 上式中上标t 表示转置，b 为一4 x 4 矩阵。文献 3 5 中详细推导了b 的元素 的具体表示式。这一关系式为分析双晶片执行器的静态性能提供了理论依据。该 表达式适用于长度远大于宽度和厚度的长条形双晶片，且应接成悬臂梁形式。 采用与文献 3 5 相同的方法，1 9 9 1 年s m i t s 等又研究了非对称型压电双晶 片( 即一片为压电材料，一片为金属等非压电材料) 的静态本构方程m 1 。变量的 选取仍采用上式的形式，但口的表示式要复杂得多。因为这种非对称性压电双晶 片更适用于集成工艺，