超声电机定子压电陶瓷环的极化装置设计【2张图/18700字】【优秀机械毕业设计论文】
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超声电机定子压电陶瓷环的极化装置设计
摘要：压电陶瓷环是超声电机的关键部件，其极化的性能对于超声电机性能有重要影响。为了充分挖掘压电陶瓷环的压电性能，并适应于高性能超声电机压电陶瓷环极化的需要本文研制一个压电陶瓷极化装置。
完成了以下工作：
1. 简述了压电陶瓷技术的发展及制作工艺，阐析了压电陶瓷的压电特点。
2. 介绍了压电陶瓷极化工艺的研究现状，分析了极化条件的选择，并根据极
要求提出了极化装置的设计方案。
3. 研制了一个温度测控系统，控制极化槽温度。该温度测控系统的测温、控温精度高，操作方便。可通过键盘，显示电路设定目标温度，控制参数，运行等。
4. 编写了温度测控程序.
关键字：压电陶瓷，温度测控，极化装置，
目 录
1 绪论
1.1压电陶瓷概述及其发展 (1)
1.2压电陶瓷的压电效应 (2)
1.3压电陶瓷的典型应用 (2)
1.4压电陶瓷的极化工艺 (5)
2 压电陶瓷温控系统硬件设计
2.1引言 (7)
2.2 温度控制器的总体设计方案 (7)
2.3 温度传感器的选择 (8)
2.4 V/F变换电路设计 (10)
2.4.1 V/F变换器的特点 (10)
2.4.2 V/F变换器的结构及工作原理 (11)
2.4 .3 V/F变换器的设计及计算 (11)
2.4.4 V/F变换对信号精度的影响 (13)
2.5 光电隔离技术 (15)
2.5.1光耦隔离 (15)
2.5.2光耦隔离电路 (16)
2.6 AT 89S52单片机概要 (16)
2.6.1 AT89S52单片机的硬件组成结构 (16)
2.6.2 AT89S52单片机引脚功能和接法说明 (17)
2.7 键盘控制及显示电路… (19)
2.8 强电控制及驱动电路设计 (20)
2.8.1可控硅的工作原理 (20)
2.8.2可控硅控制电路设计 (21)
3 温度控制器的程序设计
3.1 控制算法的研究 (23)
3.1.1 PID 控制原理 (23)
3.1.2 PID控制参数整定 (25)
3.2 采样周期的选取 (26)
3.3 输出控制 (27)
3.4程序流程图及程序 (27)
3.4.1系统功能 (27)
3.4.2 主程序 (28)
4 总结与展望
4.1 本文的主要贡献 (38)
4.2 进一步研究课题 (38)
4.3 设计心得 (39)
参考文献 (40)
致谢 (41)
The Design Of Polarization Device For Ultrasonic Motor Piezoelectric Ceramic Ring
Student name : Ji Huanhuan class : 050313
Supervisor : He Honglin
Abstract: The piezoelectric ceramics is one of the key components of a ultrasonic motor, improving its performance is a meaningful thing for improving the performance of ultrasonic motor. In order to get the better piezoelectric performance of piezoelectric ceramics, it’s necessary to develop a polarizing unit with good function for adapting to this the need. The following are the chief research achievements and work of this paper:
1. The development, application and manufacture method of piezoelectric ceramics are simply introduced, and the piezoelectric effect and parameters are systematically introduced. The principle of ultrasonic motor is introduced.
2. Several polarizing methods and their principles are introduced, and the polarizing conditions are analyzed. The author brought out the design scheme of a polarizing unit.
3. The paper developed a temperature controller to control the temperature of polarizing slot. This temperature controller could test and control temperature precisely, and could be operated easily. The temperature and control parameters could be set and displayed.
4. Prepare the programe of temperature control
Key Words: Piezoelectric Ceramics, Polarizing Method, Polarizing Unit,Temperature Control
Signature of supervisor:
- 内容简介：
-
毕业设计（论文）任务书 I、毕业设计 (论文 )题目： 超声电机定子压电陶瓷环的极化装置设计 业设计 (论文 )使用的原始资料 (数据 )及设计技术要求： 旋转 行波超声电机工作时，粘结于定子端面的压电陶瓷（ 对定子进行激励 使 定子振动，再借助于 定 /转子 间的 界面摩擦驱 使 转子转动。为了实现 定子 有效激励，需对 压电陶瓷环 进行分区极化。 在 极化过程中， 要置于 恒温极化槽内。本课题的主要目 任务 就是设计极化槽的温度控制系统 和极电电路 ， 其 具体 设计 要求如下： （ 1）极化槽 所用 电阻 加热炉的温度控制系统设计； （ 2）极化槽温度范围在： 1000C 2000C， 温度可根据需要，通过键盘进行输入 和调整 ； （ 3）极化槽 的 温度分辨率控制在20C 之内； （ 4）极化槽的温度值可通过 示； （ 5）极化电 路 输出直流电压，电压值 3000V 。 业设计 (论文 )工作内容及完成时间： 1. 查阅 文献，熟悉有关软件使用，撰写开题报告 3 周 2. 相关外文科技文献阅读与翻译（ 6000 字符以上） 1 周 3. 构思极化槽温度 控制系统方案 2 周 4. 设计 极化槽温度控制电路 2 周 5. 编制 极化槽温度控制程度 4 周 6. 典型机械零件设计及工艺 2 周 6. 撰写毕业论文 3 周 7. 毕业答辩 1 周 、主 要参考资料： 1 陈光东，赵性初 武汉：华中理工大学， 1993 2 马忠梅，籍顺心等 语言应用程序设计 京航空航天大学 出版社， 2003 3 嵇萍 南京航空航天大学硕士学位论文， 2006 4 刘江平 . 件实用培训教程 子工业出版社， 2001 5 贾菲（美）著，林声和译 . 压电陶瓷 . 科学出版社， 2001 6 19004, 航空与机械工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业类 050317 班 学生（签名）： 纪欢欢 日期： 自 2009 年 2 月 16 日至 2009 年 6 月 19 日 指导教师（签名）： 助理指导教师 (并指出所负责的部分 )： 机械设计 系（室） 主任（签名）： 附注 :任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。 学士学位论文原创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果 ,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 纪欢欢 日期： 2009位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 纪欢欢 日期： 2009师签名： 日期： 下沉指数最小翘曲、注塑件用热塑性田口优化方法 摘要 快速成型技术及快速模具发达国家已广泛在过去几年 . 在这篇文章中 ,作为一种程序 ,使电芯塑料注射模具分析 . 贝壳制成模型 ,通过快速成型得到利用差分系统 . 主要目的是分析力学特征镍炮弹、 学习方面的不同金相组织 ,硬度 ,内部讲 ,可能失败 由这些特色的有关参数以生产贝壳电设备 . 终于引爆了一个核心注塑模具 . 文章概要 1. 引言 2. 注塑模具制造过程中的 3. 壳牌获取电 :设备 4. 获得硬度 5. 金相组织 6. 内部讲 7. 测试的注塑模具 8. 结论 参考资 料 1. 引言 其中最重要的是现代工业遇到的挑战是提供更好的产品与消费者 ,优秀品种和时间变异 (新设计 ). 因此 ,现代工业必须有更多的竞争性和生产成本与接受 . 毫无疑问 ,结合时间变量 ,质量并不容易 ,因为他们经常变状态 互相 ; 科技进步生产许可证制度 ,将可更有效和可行的组合在 方式 ,例如 ,如果是演化的观测系统和注塑技术、 我们得出的结论是 ,事实上 需少时间把新产品的市场和较高素质 . 快速模具制造技术 ,在这一领域 , 其中的技术进步 ,使得有可能改善设计和制造过程注入部分 . 快速模具制造技术基本上是由程序集将允许我们 获取 塑料模具零件 ,小型系列 在短短的时间里 ,以可接受的精度水平 . 其应用领域不仅包括制作塑胶件注 1,2,3但是 , 的确 ,这是他们研制并在那里找到更多的最高产量 本文包括在科研第一线 ,广泛试图研究确定 ,分析测试和建议 在产业层次 ,形成核心的可能性注塑模具从获取镍炮弹、 同时 ,作为一个初步的原型取得了差分模型快速成型设备 它也将不得不说 ,事前并没有任何新电铸技术的应用 ,因为它 业内人士无数、 但这种试图调查研究工作 ,并在多大程度上使用这一技术参数 ,其中 在生产技术上的快速模具 . 所有在准确、制度化 的方式方法的运用 ,并提出了工作 . 2 注塑模具制造过程中的 核心是由镍壳薄 ,透过电进程 这是一个充满金属环氧树脂主管期间一体化这一核心板块 4 模具 (图 1)制造许可证直接注射 他们确定的甲状旁腺恩的 准 . 目的是要确定这个试样力学性能的材料收集代表工业 在注入这些工具及其性能相比常规手段获得 图 . 1. 注塑模具制造与电核心 . 该阶段取得核心根据这一方法研制工作 ,有以下几方面 : (一 )在设计 (二 )在快速原型制造设备模型 (差分系统 ). 该材料将 (三 )生产镍电壳牌从以往的模式已经涂了导电涂料 事前 (必须有导电 ). (四 )清理壳牌从模型 (五 )生产核心填写背面与壳牌环氧树脂抗高温 随着铜管与冷冻槽 有两个空洞的注塑模具、 他们一个是电加工的核心 ,一是直接在移动压板 . 因此 ,它获得了与同一工具及同一工艺条件、 同时注入两种不同制成标本蛀牙技术 . 3 壳牌获取电 :设备 电镀 5和 6是一个电化学过程中的化学变化 ,当它起源于一电解质 悠悠电流通过 . 该电镀 5和 6是一个电化学过程中的化学变化 ,当它起源于一电解质 悠悠电流通过 . 该电解槽是由金属盐两个电极淹没 ,一个阳极 (镍 )、阴极 (示范 ) 它是通过把烈度来自直流 . 当电流流经电路 目前在金属离子的溶液转化为原子 ,是定居于创造一个更加阴极 存款少或制服层 镀液采用这项工作是由镍、磺酸 78集中在 400 毫升 /公升 ,氯化镍 (10 微克 /公升 )、硼酸 (50 微克/公升 ),30完 工 /公升 ),703完工 /公升 ). 选择这种组合主要原因是我们打算申请类别 ,即 注塑模具 ,即使注射了玻璃纤维 . 磺酸镍让我们获得可以接受的程度 ,在内部讲壳牌 (作了测试结果 不同工艺条件 ,不高于 50 兆帕的最佳条件和 2 兆帕左右 ). 不过 ,这 种程度的内部压力也是作为添加剂使用后果 这是由衍生 醛水溶液 . 这种添加剂也赞成增加阻力较小壳当允许粮食 . 703降解水溶液表面代理商代理已经利用以减少蚀 . 氯化镍 ,尽管危害性的内部讲 加上增强导电溶液并 赞成在金属均匀分布在 阴极 . 硼酸 该设备用于制造镍炮弹已测试如下： 聚丙烯坦克 :600毫米 400 毫米 500 毫米的尺寸 三聚四氟乙烯电阻器 ,每一个有 800 特约阴极机械搅拌系统 再循环和过滤系统组成的水泵、浴聚丙烯过滤 充电整流器 . 最高强度和持续不断的电流电压 0至 16伏 镍钛篮 阳极 (镍矿公司的 具有纯度 99% 气体吸入系统 一旦已确定浴、 手术已更改参数测试不同条件的过程一直电流密度 (之间 1、 22), 温度 (35至55) 和 改变镀液组 成部分 4 获得硬度 一个非常有趣的测试期间已获得结论 ,对不同程度的硬度 电炮弹一直保持在相当高的稳定价值观 . 在无花果 . 2,可以观察到哪种方式电流密度值为 2 之间 , 硬度值从高压 540、 580、 在 +摄氏 45 如果是浴的 温下降 55 以上这些价值观 高压 520以下560高压 . 这一特点使得测试洗澡不同于其他传统业务组成磺酸镍、 允许经营范围更广的价值观念 ; 然而 ,这种有限性的将取决于其他因素 , 例如内应力 ,因为其工作状况可能在某些变性的 电流密度和温度 . 在另一方面 ,传统的硬度介于 200 远比取得的一个考验 . 既要考虑到 ,对注塑模具、硬度接受高压 300 起 . 其中最常见的材料就可以找到注塑模具钢改善 (高压 290) 积分硬化钢 (高压 520高压 760 这样可以观察到的硬度水平都将炮弹镍 中高幅度的注塑模具材料 . 反对低延性是有偿壳牌这样的环氧树脂填充 它表示 ,将依负责 ,因为这是一个内心压力控股收费进程 注塑 ; 这也是为什么必须要由有壳厚度为尽可能均匀 (以上 最低值 ),并没有重大失误 ,如图： 图 2. 硬度变化与电流密度 . 4+45 5 金相组织 为了分析金相 结构、电流密度、温度值 ,主要是改良 . 样品分析、横向组额叶组 (垂直于沉积 ). 实现便捷的准备 ,他们在方便的封装树脂 巧言镌刻在不同阶段有硝酸、醋酸混合物 . 瓶子的进行每隔 15,25,40,50收盘后擦拭 , 为了观察事后在奥林匹斯金相显微镜碲 30/10 以前的照片进行评论本文 说是要用来制造炮弹模型作了一个差分快速成型 当熔融塑料机械( ,后来 ,坚固 ,逐层贯通 . 每一层、 挤出模具留下的螺纹直径约 因此 , 它的表面可以观察到 薄线标明的道路 ,然后由组长机 . 这些线路将作为参考显示重复性水平镍解决 . 重复性模式将是一个基本要素评估注塑模具基本内容 : 表面纹理 . 该系列测试表 1所示： 表 1. 检验系列 系列 度 () 电流密度 A/ 55 45 45 45 3显示系列表面样本后首蚀刻 . 它显示了差分机原产道路 ,也就是说 ,有一个良好的重复性 . 它仍无法察觉四舍五入粮食结构 . 在无花果 . 4、 2 系列之后第二蚀刻、 可以观察到的一条线道的方式 ,较前明显减少 . 在无花果 . 5 23 系列和蚀刻它开始出现了一批粮食结构虽 然很难遏制 这时道路 . 另外 ,最黑暗的地方标明含有蚀过程和洗澡条件不足组成 图 3. 系列 1(150) 、蚀刻 1 图 4. 系列 2(300), 蚀刻 2 图 5. 系列 3(300), 蚀刻 2 这一行为表明 ,工作在低电流密度、高温、 炮弹以良好的示范和再现 了获得粒度小 ,即 足供所需的应用 如果进行了分析 ,横向的平面沉积 它可以在所有的测试样品和一切条件 ,存款增长结构 是层 (图6), 什么是差强人意 ,虽然取得了高机械阻力不惜牺牲低延展性 . 这是由于质量 ,首先 向在场的添加剂 ,因为没有洗澡磺酸镍添加剂通常制造纤维和非层 结构 9. 改装直到近空值的润湿剂 ,使由于层结构 保持在任何情况下 ,决定对此事表明 ,这种结构的应力消脂 (. 在另一方面 , 据测试 ,根据不同层结构层厚度的计算 电流密度 . 图 6. 机横向系列 2 (600), 蚀刻 2. 6 内部讲 其中一个主要特征是要有一个空壳为应用是有一个像插入 低水平内部讲 . 不同的测试 ,在不同电流密度和镀液温度测量系统做了弯落在阴极张力 法 . 钢铁被用来测试与控制等方面的自由和固定 (160毫米长度 宽度 厚度 . 因为只有在一旁沉积金属检测控制机械应变(拉伸或压应力 ) 允许计算内部讲 . 根据 10申请被假定卧镍厚度不够 ,影响小 (3微米 )、 在弹性的角度来看 ,对部分钢铁紧张 . 在所有案件中最值的测试是内部压力和极端条件下为 50兆帕 2 协会最佳条件 ,申请所需的可接受值 . 最后的结论是 ,内部讲 . 7 测试的注塑模具 试验已进行各种代表性热塑性材料如聚丙烯、坝、高密度聚乙烯和 据分析和性能的零件 ,如注射大小 ,重量、抗延性僵化 . 拉伸力学性能测试和分析 ,光破坏性试验 . 约 500针进行这一核心 ,其 余条件下经受更多 . 一般而言 , 重大分歧都未察觉之间的行为样本的核心 ,从 加工腔 ,分析了一整套的材料 . 但是在分析 七 )据国家之间发现了两种不同张标本 基本上是由于在炎热划转、刚度分别塑造蛀牙 . 这种差异说明延性差异较突出的部分材料 ,如聚乙烯、清澈坝六 图 7. 分析 光注入标本 此案为高密度聚乙烯管在所有分析化验发现它是在一个较低延性标本 所得镍核心 ,量化 30%左右 . 在这种情况下坝 6价值也接近 50% 8 结论 经过连续的测试和不同的条件已经清查磺酸镍浴、 已获准使用添加剂的镍壳获得一些机械性能的要求可以接受申请 , 注塑模具 ,也就是说 ,重复性好 , 高硬度及良好的机械阻力因而层结构 . 机械不足的部分将取代镍壳的环氧树脂饰面 ,塑造核心 为注塑 ,允许注入中型系列塑料零件可接受的质量水平 . 参考资料 景、丙、 贝内特、快速原型电电芯放电加 工电极 ,乃 J. 过程 . 辨识方法 (2001)110页 . 186文 +通 |以 71十一 ) 2腔 速模具开发板材、立体画用镍电平版进程 过程 . 辨识方法 (2001)111页 . 286文 +通 |以 40十一 ) 3沃森、电 :基本上不获认可 ,而是扩大了至关重要业 14 届世界大会 ,伯明翰 英国 ,1996 4米棍等 . , 84(2002)年 03月 557 5 ,有山 (1989) 62000( 7甲沃森、解磺酸盐镍 ,镍发展学会 (1989) 8甲沃森、增补办法磺酸 盐镍 ,镍发展学会 (1989). 9料、电镀基板材料科学、箱内出版物 (1993年 ). 10万豪 朱迪 ,与多晶硅微磁屈 ,船长报告 ,系形体、柏克莱加州大学 1994 A on of to he of In as a to is DM is to of to by to of of an a in an . 2. of an 3. an 4. 5. 6. 7. of 8. . ne of is to be it to is no is in to to be in a if it is of of we at in it to a on of of in of in of of a of to us to a of in or in a of is in of 1, 2 3, it is it is is a it to at an of as an a in a It to is in 3, to to of in of is in an of a 2. of an he is by a is is an in 4 1) by of a a as by 167 of is to of a of in by to a 4, to in (a) AD of (b) in a be BS (c) of a a it (d) of (e) of by of to of in it in to in 3. an 5 6 is an in a an an is by an a it is to an a DC in on a or in is by 7 8 at a 00ml/l, 10g/l), 50g/l), 30cc/l) 03 (2cc/l). of is to of we is to is us to an of in 0 of is a of as an is a by of by in of of a 03 is an of to of in of is to of to in in as a pH to as 6000000mm in 00W. of of by a a in 0A 6V. a 9%. of 2A/ 5 5C) 4. ne of of of at 2, it be in .5 2A/40 80at 0.2 a 5C. If pH of is .5 5C 20HV 60by to a of be on as at of or On of a is 00 250in It is to an is 00it is to 290 520 595 760 800 in a it be of be of to of is in a it is of of is it is to a as as a of as T=45C. 5. n to of in in to a in in a of at 5, 25, 40 0s, in to be in a 10. on to in it is to to in a is by In a in is in it be by of to as a to of of is to be a to a of . . C) A/ 1 55 45 45 5 3 of a of It by DM is to is a It be 4, , a it be a of in a in 5, it to it is to at of by of (150), . (300), . (300), . at a a a of a If is in a to it be in of is 6), is to a at of a is to of a a 9. a of as a in On it to of in of of (600), . 6. ne of a an is to a of at a on A a 160mm is in a or to 10 is 3m) to in an of to In of 0an is to at a of 7. of P, C, it of as by analy 毕业设计（论文） 外文翻译 题目 下沉指数最小翘曲注 、 塑件用热 塑性田口优化方法 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 05031317 学 生 姓 名 纪欢欢 指 导 教 师 贺红林 填 表 日 期 2009 年 03 月 14 日 毕业设计（论文）开题报告 题目 超声电机定子压电陶瓷环的极化装置设计 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 050313 班 17 号 学 生 姓 名 纪欢欢 指 导 教 师 贺红林 填 表 日 期 2009 年 4 月 8 一、选题的依据及 意义 ： 压电陶瓷是一能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。所谓压电效应是指某些介质在受 到机械压力时 ,哪怕这种压力像声波振动那样微小 ,都会产生压缩或伸长等形状变化 ,引起介质表面带电 ,这是正压电效应。反之 ,施加激励电场 ,介质将产生机械变形 ,称逆压电效应。 压电陶瓷是超声波电动机 中将电能转换成振动能的部件，压电陶瓷材料性能的优劣，关系到超声电机的机械特性，所以压电材料的研究始终是关系到是否能有效地提高超声电机综合性能的重点 。 压电陶瓷是电子陶瓷器件中一个重要的材料，它具有 在 力 (或形变 )作用下产生电荷 (或电压 )的正压电效应和电作用下产生力 (形变 )的逆压电效应功能，从而可进行电能 电 能的转换。压电陶瓷的上述功能已被制备成传感器、换能器、驱动器等，广泛地应用于航空航天、医学诊断、超声焊接等领域，成为生产和生活中重要的功能材料。利用压电陶瓷的正压电效应和逆压电效应可以制作成高性能的电源变压器。 压电陶瓷是一种具有压电效应的晶体，因其生产工艺和陶瓷生产工艺相似（原料粉碎，成型，高温烧结等）而得名。 压电性是某些晶体由于机械应变所产生的电极化，而这样的电极化与应变量成比例并且随其改变符号。反之也是为此：电极化又会导致压电晶体的应变。 1916 年，通过超声开发和接收系统的开发兰捷文首次将石英的压电 特性付诸实用。通过信号使压电石英晶体进行振荡，并且通过水至反射物体来传播这种高频机械振动。另一石英晶体接收反射回的振动能（超声）。这样，通过发射和接收之间的时间间隔，便能够计算出声源和反射物体之间的距离。这种压电性的重要应用即是今天声纳的先驱。 严格地说，只有晶体才能表明压电特性，石英、罗谢尔盐和电石是最早所知的高极性天然压电晶体。在通常的应用中，也使用压电这一术语来表明某些陶瓷和聚合物材料的特征。这些陶瓷和聚合物在自然状态下不具有压电特性，而是在短期内施加电场之后才具有压电性。对多晶陶瓷和聚合物压电体这样 的处理叫做极化，类似于磁化永磁体。 最常用的压电陶瓷材料是 陶瓷。在极化之前，可以将这些陶瓷材料看作是一些微小的、任意取向的晶粒整体。烧成之后，这些陶瓷材料是无向性的，由于是任意取向的，所以没有压电效应。 通过极化处理，这包括使之经受强电场的影响，可以使陶瓷成为任意选择方向的压电体。在去除电场以后，其耦极子仍保持固定的排列，使陶瓷材料具有持久的极性和持久的压电性。 这种极化处理通常是制作压电陶瓷元件的最后阶段。一般是在与压电陶瓷元件极化轴垂直的表面上沉积上金属电极，以便于极化。 压电陶瓷 对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动 ,并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性 ,可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。 如今压电陶瓷已经被科学家应用到国防建设、科学研究、工业生产以及和人民生活密切相关的许多领域中 ,成为信息时代的多面手。 在航天领域 ,压电陶瓷制作的压电陀螺 ,是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。依靠“舵” ,航天器和人造卫星 ,才能保证其既定的方位和航线。传统的机械陀螺 ,寿命短 ,精度差 ,灵敏度也低 ,不能很好满足航天器和卫星系 统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高 ,可靠性好。 在潜入深海的潜艇上 ,都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备 ,也是开发海洋资源的有力工具 ,它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中 ,有一双明亮的“眼睛” ?压电陶瓷水声换能器。当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号 ,这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收 ,于是 ,就发现了目标。目前 ,压电陶瓷是制作水声换能器的最佳材料之一。 随着高新技术的发展 ,压电陶瓷的用途必将越来越广阔 。除了用于高科技领域 ,它更多的是在日常生活中为人们服务 ,为人们创造更美好的生活。 二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）： 1880 年法国人居里兄弟发现了“压电效应”。 1942 年 ,第一个压电陶瓷材料 钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。 1947 年 ,钛酸钡拾音器 世纪 50 年代初 ,又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料 此 ,压电陶瓷的发展进入了新的阶段。 60 年代到 70 年代 ,压电陶瓷不断改进 ,逐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电 陶瓷 ,以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异 ,制造简单 ,成本低廉 ,应用广泛。 某些各向异性晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是居里兄弟（ 1880 年在单晶体上发现的。几个月后，他们又用实验验证了逆压电效应，即给晶体施加电场时，晶体会产生几何形变。1940 年以前，只有单晶压电材料，由于存在多种缺点（如易溶于水），未能得到广泛应 用。 40 年代发现了钛酸钡（ 电陶瓷 压电多晶材料，使压电材料获得了广泛应用，这是压电材料的一个飞跃。 发现经历了三个基本阶段：发现高介电常数；发现高介电常数起因于铁电体；发现极化过程，这是决定性阶段。在一块原来是各向同性的多晶陶瓷片上暂时施加强电场，可获得压电性所需的极性（并且多少有点永久性），这个过程称为“极化”过程。第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在 1947 年用 造的留声机拾音器，但 在压电性弱和压电性随温度变化大的缺点。 1954 年美国 等人发现了 溶体系统，这是一个划时代的大事，它使在 代不能制作的器件成为可能。 70 年代，人们又研制出 压电陶瓷的应用扩展到光学领域 多层片式压电陶瓷变压器是近年来迅速发展起来的新一代小型高性能电源变压器。与电磁式变压器相比，它在小尺寸、低功率等应用场合下有着突出的优点，并已在实用中获得了很好的效果。随着通信和信息技术的迅猛发展，多层片式压电陶瓷变压器在小型电子设备中，将展现出独特的优点，具有广阔的应用前景 随着高新技术的发展， 高科技产品压电陶瓷的应用越来越广泛。它的特性是：当在该压电陶瓷材料上施加机械应力时，在陶瓷表面会有电荷出现，这一效应被称为正电荷效应；当在某陶瓷材料上施加电压时，则陶瓷会产生几何形变，这一效应被称为逆电压效应。具有正、逆压电效应的陶瓷材料被称为压电陶瓷材料。目前应用最广泛的是锆钛酸铝（ 用该材料制作的谐振器、滤波器和超声换能器广泛应用于目前最时髦的发展最快的航空航天、光电网络通讯、电镀领域，另外，电视、录像监视机、遥控装置、仪器仪表、 B 超扫描仪、超声清洗机、塑焊机、金属表面清洁等行业也有广泛需求，国 际国内市场需求量每年以约 18%的速度增长，市场前景广阔。全球生产压电陶瓷片百万片以上的企业一共只有 5 家，根本无法满足市场需求 。 现有的压电陶瓷的种类有：钛酸钡（ 锆钛酸铅（ 偏铌酸铅、钛酸铋、铌酸钾钠和钛酸铅。 钛酸钡从 1994 年开始，一直到现在仍有一些用途。但是在换能器应用方面，它大多数已被 代。今天，钛酸钡主要应用于电容器工业。 压电陶瓷的作用日益增大，起因于它们高的压电活性，高的随意性以及容易将材料制作成许多各种各样的尺寸和形状。其范围从很薄的薄片到大的环形、圆柱形、条棒形和板片形。这样的陶瓷元件还能够进一步组合制成更大的结构，例如用楔形组装成大的环，用异形的板片形成球形，或者将环堆叠成长的圆筒。 压电陶瓷用作电能和机械之间的换能器。正压电效应可使陶瓷成为发电机（将机械能转变为电能），而反压电效应又可以使陶瓷成为马达（将电能转变为机械能）。 从理论上讲，压电陶瓷能够与任何的马达发电机的应用竞争。然而，它们在器件上受到机械位移小（典 型的仅有 寸）以及每一循环只能产生小量电荷的限制。即使这样，由于这些器件具有非常高的转换效率，在连续运行下，仍能产生 110力 围的电功率。 美国的压电陶瓷和聚合物工业，元件方面有 24 家制造商和供应商，另外有数百家压电器件生产厂家。虽然最大的用户一直是军用方面，例如声纳、声纳浮标和水听器等，但是现在工业和民用方面已处于领先地位。 随着工业自动设备的增加以及高级设备的民用化趋势，压电器件的应用在快速发展，医疗电子设备以及超声和传感器等都在大量涌现。与计算机有关领域中所出现的一些新市 场有用于硬盘的微驱动器以及用于笔记本电脑的压电变压器等。在与工业和民用有关的应用扩大的情况下，军事应用在持续下滑。 美国的压电陶瓷工业不仅面临着来自日本、欧洲和中国的竞争。在过去 25 年中，有十多家美国公司已经退出这一行业。目前，大约有 15 家美国和加等大公司在生产压电陶瓷元件。 制造技术和生产技能是进入压电陶瓷行业的主要障碍。由于日本在这两方面的技能很丰富，所以他们很容易在大批量生产方面占优势，例如蜂鸣器市场。然而，中国在低端大批量生产方面正在成为重要的角色。 根据 司最近完成的有关压电陶瓷及陶瓷 聚合 物复合材料的市场调研，美国的压电陶瓷市场是相当成熟的。该调研估计 2000 年的市场将达到 美元，包括垄断市场和进口，但是不包括出口。谨慎地预测，按现价美元计算该市场的平均年增长率（ 会达到 尽管正在出现一些新的应用，然而许多电子器件都是进口的，而压电元件也已是由境外生产厂家生产的。日本、中国无锡以及太平洋沿岸的一些厂家提供这些方面应用的压电元件。在压电陶瓷及陶瓷 聚合物复合材料市场中，压电陶瓷元件占 97%，即 2000 年为 2 亿美元， 2005 年将达到 美元。估计陶瓷 聚合物复合材 料市场 2000 年为 700 万美元，包括军用部分。复合材料民用方面还不到 100 万美元。到 2005 年，预计复合材料市场将达到 1600 万美元，平均年增长率为 18%。这样高的增长速率是因为 2000 年的需求相对小的缘故。 2000 年的市场没有达到早先的规划是因为复合材料元件有一些问题，例如电极连接、填充材、概率寿命和可靠性。现在正在针对解决这些问题开展一些研究。 相信美国压电陶瓷元件的出口每年还不到 1000 万美元 ,而估计美国压电陶瓷元件的进口， 2000 年占总的市场消费量的 25%。 大约有 1欧洲公司向美国市场提供产品 。在过去五年，因为日本货币的增值，从日本的进口在下滑，而从中国以及其它太平洋周边国家的进口增加了。总之，过去五年压电陶瓷元件的进口上升了 120%。 从欧洲进口的产品是一些价格较高的项目，而从亚洲进口的大多数产品都是一些低成本的大批量应用的压电元件。十年前，日本几乎是所有压电陶瓷产品的进品来源，但是过去五年已有不少改变。一些外国和中国的公司已经在这一进口市场站稳了脚根。这两个国家以及其它的太平洋周边国家已经削减了日本在美国的市场份额。 三、 研究内容及实验方案： （ 1） 研究内容： 1. 总结和介绍 压电陶瓷 的发展和 应用 ， 阐述 压电陶瓷的压电效应 2. 根据极 要求提出 极化装置的设计方案。 3. 设计一个温度测控系统，控制极化槽温度。 4. 编写温度测控程序 . （ 2） 实验方案 ： 系统硬件电路分为 三 部分： 89片机系统、温度检测通道、输出控制通道。 温度控制器系统组成图 本系统工作过程为：温度信号通过热电偶温度传感器转换成电压信号，该电压信号很小，经放大、滤波后进行电压频率转换，得到与逻辑电路兼容的脉冲串，脉冲频率与温度呈精确的比例关系。该脉冲经光耦隔离后，输入单片机，通过程序处理后 可得到当前温度值，将它与温度的设定值相比较得到温度的偏差，通过 法运算出控制量，此控制量经双向可控硅控制加在加热器上的电压的通断时间，以达到控制温度的目的。 温度，中断等控制参数由键盘输入，并可随时修改，采样温度显示在 。 系统控制单元采用双向可控硅。单片机产生占空比可调的方波脉冲，以此来控制一个采样周期内正弦交流电波的个数，达到调节控制温度的目的 . 四、 目标、主要特色及工作进度 （ 1）目标： 对极化装置的要求如下： （ 1） 测控系统基于单片机 89 （ 2） 温度范围在： 1000C 3000C； （ 3） 温度分辨率 不超过 2 0C 之内 （ 4） 当前 温度值 可 通过 示，目标温度可通过键盘输入 ； （ 5） 设计极化电路。 测温 放大滤波 V / F 转换 光隔 单片机电控制 光隔 键盘 2. 熟练掌握 件的使用 （ 2）主要特色： 1. 总结和分析 压电陶瓷的发展、 应用及 制造工艺，阐述 压电陶瓷的压电效应 2. 总结压电陶瓷极化工艺的研究现状，分析 极化条件的选择，并根据极 要求提出 极化装置的设计方案。 3. 研制 一个温度测控系统，控制极化槽温度。该温度测控系统的测温、控 温精度高，操作方便。可通过键盘，显示电路设定目标温度，控制参数，运行等。 4. 编写 温度测控程序 . （ 3）工作进度： 1. 查阅 文献，熟悉有关软件使用，撰写开题报告 3周 2. 相关外文科技文献阅读与翻译（ 6000字符以上） 1周 3. 构思极化槽温度 控制系统方案 2周 4. 设计 极化槽温度控制电路 2周 5. 编制 极化槽温度控制程度 4周 6. 典型机械零件设计及工艺 2周 7. 撰写毕业论文 3周 8. 毕业答辩 1周 五、 参考文献 1 陈光东，赵性初 武汉：华中理工大学， 1993 2 马忠梅，籍顺心等 语言应用程序设计 京航空航天大学 出版社， 2003 3 嵇萍 南京航空航天大学硕士学位论文， 2006 4 刘江平 . 件实用培训教程 子工业出版社， 2001 5 贾菲（美）著，林声和译 . 压电陶瓷 . 科学出版社， 2001 6 19004, 超声电机定子压电陶瓷环的极化装置设计 学生姓名： 纪欢欢 班级： 050313 指导老师： 贺红林 摘要 ： 压电陶瓷 环是超声电机的关键部件，其极化 的性能对于超声电机性能 有重要影响 。为了充分挖掘压电陶瓷 环 的 压电 性能， 并适应于 高性能超声电机压电陶瓷环极化的需要 本文研制 一个 压电陶瓷极化装置。 完成了以下工作 ： 1. 简述 了压电陶瓷 技术的发展 及 制作工艺，阐析 了压电陶瓷的压电 特点。 2. 介绍了压电陶瓷极化工艺的研究现状，分析了极化条件的选择，并根据极 要求提出了极化装置的设计方案。 3. 研制了一个温度测控系统，控制极化槽温度。该温度测控系统的测温、控温精度高，操作方便。可通过键盘，显示电路设定目标温度，控制参数，运行等。 4. 编写了温度测控程序 . 关键字 ： 压电陶瓷， 温度测控 ，极化装置， 指导老师签名： f 050313 is of of a is a of In to of its to a to of 1. of of is 2. of a 3. a to of be be 4. of of 目 录 1 绪论 电陶瓷概述及其发展 (1) 电陶瓷的压电效应 (2) 电陶瓷的典型应用 (2) 电陶瓷的极化工艺 (5) 2 压电陶瓷温控系统硬件设计 言 (7) 度控制器的总体设计方案 (7) 度传感器的选择 (8) V/F 变换电路设计 (10) V/F 变换器的特点 (10) V/F 变换器的结构及工作原理 (11) 3 V/F 变换器的设计及计算 (11) V/F 变换对信号 精度的影响 (13) 电隔离技术 (15) 耦隔离 (15) 耦隔离电路 (16) T 89片机 概要 (16) 片机的硬件组成结构 (16) 片机引脚功能和接法说明 (17) 盘控制及显示电路 (19) 电控制及驱动电路设计 (20) 控硅的工作原理 (20) 控硅控制电路设计 (21) 3 温度控制器的程序设计 制算法的研究 (23) 制原理 (23) 制参数整定 (25) 样周期的选取 (26) 出控制 (27) 序流程图及程序 (27) 统功能 (27) 程序 (28) 4 总结与展望 文的主要贡献 (38) 一步研究课题 (38) 计心得 (39) 参考文献 (40) 致谢 (41) 1 1 绪论 电陶瓷概述及其发展 压电陶瓷是超声波电动机 中将电能转换成振动能的部件，压电陶瓷材料性能的优劣，关系到超声电机的机械特性，所以压电材料的研究始终是关系到是否能有效地提高超声电机综合性能的重点 。 图 电陶瓷 实物 压电陶瓷是电子陶瓷器件中一个重要的材料，它具有在力 (或形变 )作用下产生电荷 (或电压 )的正压电效应和电作用下产生力 (形变 )的逆压电效应功能，从而可进行电能 电能的转换。压电陶瓷的上述功能已被制备成传感器、换能器、驱动器等，广泛地应用于航空航天、 医学诊断、超声焊接等领域，成为生产和生活中重要的功能材料。利用压电陶瓷的正压电效应和逆压电效应可以制作成高性能的电源变压器。 压电陶瓷是一种具有压电效应的晶体，因其生产工艺和陶瓷生产工艺相似（原料粉碎，成型，高温烧结等）而得名。 某些各向异性晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是居里兄弟（ 1880 年在单晶体上发现的。几个月后，他们又用实验验证了逆压电效应，即 给晶体施加电场时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只有单晶压电材料，由于存在多种缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。 2 多层片式压电陶瓷变压器是近年来迅速发展起来的新一代小型高性能电源变压器。与电磁式变压器相比，它在小尺寸、低功率等应用场合下有着突出的优点，并已在实用中获得了很好的效果。随着通信和信息技术的迅猛发展，多层片式压电陶瓷变压器在小型电子设备中，将展现出独特的优点，具有广阔的应用前景。 电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种先进功能陶瓷，它具有压电效应，那么，什么是压电效应呢 ? 某些材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效应。反之，在某些材料上施加电场，会产生机械变形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应。如果施加的是交变电场，材料将随着交变电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强，振动的幅度越大。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。 图 电效应原理图 并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材料，在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧化铅、氧化锆 等。将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷，并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理，才能成为压电陶瓷。常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等。 压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生活密切相关。压电陶瓷主要用在能量转换、传感、驱动、频率控制等方面。 电陶瓷的典型应用 压电陶瓷作为信息功能陶瓷的主流材料之一，除了超声电机领域的应用外，还在水声换能器、传感器、滤波器、变压器、点火器、陀螺仪、液流泵等众多领域内得到 3 了应用。这里简单介绍压电陶瓷的几个典型应用。 （ 1） 压电陶瓷 点火器 压电陶瓷点火器是一种将机械力转化为电火花而点燃燃烧物的装置，是压电换能器的典型实例。 1958 年开始利用 压电性点火，但这种材料着火率低，且噪声大。 如图 示的点火器可固定在家用灶具上点燃气体，它有结构简单，使用方便，经济耐用等优点。其工作原理是：利用转动凸轮开关 1 的凸出部分推动冲击块 3，并压缩冲击块后面的弹簧 2，当凸轮凸出部 分脱离冲击块后，由于弹簧力作用，冲击块给压电陶瓷元件 4 一个冲击力 F，使压电陶瓷元件两端面产生高压，经中间电极 5输出高压，产生电火花点燃气体。 （ 2）压电陀螺 压电陀螺是压电型振动陀螺仪的简称，也称超声波陀螺，是一种角度或角速度传感器。其原理与傅科摆的相同，是利用对振动着的物体外加旋转角速度时在与振动方向成直角的方向上产生哥氏力这一力学现象的传感器。 图 用压电点火器结构 图 电陀螺基本原理 如图 压电陀螺的基本原理。在振动着的振子中心轴（ Z 轴）上外加旋转角速度（ 0）时，在与振动方向（ X 轴）成直角的方向（ Y 轴）上便产生与旋转角速度成正比例的哥氏力（ 压电陀螺就是利用这种力学现象的陀螺。用起动压电陶瓷使 X 轴振动，利用 Y 轴上的检测压电陶瓷检出作为电压输出的哥氏力。这种陀螺的特征是 起动用压电陶瓷与检测用压电陶瓷分开正交配置，哥氏力一般可用下式求出 02 （ 1 式中， m 为质量， V 为速度， 0 为角速度。 （ 3）压电陶瓷在电光器件中的应用 70 年代，压电陶瓷的研制成功，开辟了压电陶瓷的新应用 电光应用。由于 4 解决了以前单晶材料几何尺寸的 限制、化学组成和光学均匀性的控制困难等问题，使单晶材料不能制作的器件成为可能。利用的电控光折射效应、电控光散射效应和光色效应可以制造光门、光调节器、光贮存器、电控多色滤色器、彩色显示器等电光器件。这些器件具有较高的技术指标和性能。 例如光阀可设置在 22525 m 的极微小的面积上，光贮存器在 m 极微小的瓷片上可贮存 256 位信息。 （ 4） 压电变压器 从五十年代就开始研制压电变压器。当时以钛酸钡为主要材料。升压比较低（只有 5060 倍）。输出电压 3000 伏左右。随着锆钛酸铅压电陶瓷材料的出现，升压比提高到 300500 倍压电变压器 ,逐步推广应用于电视机 ,静电复印机 ,负离子发生器中做为高压电源 . 1）压电变压器的基本原理 输入压电瓷片的电振动能量通过逆压电效应转换成机械振动能，再通过正压电效应又换成电能。在这两次能量转换中实现阻抗变换（由低阻抗变成高阻抗），从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的电压输出。现以伸缩振动的横纵向型变压器为例说明变压原理。 图 压电变压器 如上图 示，整个陶瓷片分成两部分，左部为输入端（又称驱动部分），下面都有烧渗的银电极，沿厚度方向极化，右部为输出端（又称发电部分），其右端面有烧渗的银电极。沿长度方向极化。当输入端加上交变电压时，由于逆压电效应，瓷片产生沿长度方向的伸缩振动，将输入电能转变为机械能；而发电部分则通过正压电效应，将机械能转变为电能，从输出端输出电压。无负载时，开路升压比为： 2 3 1 3 3214Q K 5 式中料的机械品质因数；31K、33K材料的纵、横向机电耦合系数； L发电部分的长度； T变压器厚度。 2) 压电变压器的应用 压电变压器主要用于高压、低功率和正弦波变换的情况，具有输出电压高，重量轻，体积小，无泄漏磁场、不燃烧等独特优点。为了获得多个电压输出，根据横 纵变压器的输出电压与长度成正比，越靠近发电部分端头，电压越高，我们可在发电部分的不同位置制作电极作为抽头，从而获得不同的电压输出。 电陶瓷 的制作工艺 压电陶瓷材料性能的好坏，与其中制造工艺的关系非常密切。压电陶瓷的制造工艺和一般电子陶瓷的工艺类似，但也有它本身的特殊性。由于压电陶瓷中含有大量的铅氧化物，所以防止铅在高温下的挥发是一个重要问题。压电陶瓷工艺中最重要的是预烧（合成）、烧结（致密化）和人工极化这三个关键工序。 压电陶瓷的生产过程一般包括以下几个步骤： 图 电陶瓷的制作工艺 首先是根据配方和生产需要的数量来计算各种原料所需称取的量。所用的原料大多数是金属氧化物，少数也可用碳酸盐（预烧时便分解为氧化物）。为使生 成压电陶瓷的化学反应顺利进行，要求原料颗粒要细，一般不要超过 2 微米（平均直径）。 通常使用转动球磨机或振动球磨机进行原料的混合，同时起到粉碎原料颗粒的作用。 原料经预烧后，就合成了锆钛酸铅的固溶体化合物。再经过一次粉碎，就可以成型。成型可根据不同的要求采用轧膜、压型或静水压等方式，成型之前需加入粘合剂。成型后生坯中的粘合剂、水分等必须加温排去，称为排塑或排胶。 配料 混合 预烧 粉碎 成型 排塑 被电极 极化 测试 6 排塑以后的生坯重新装炉烧结。烧成的陶瓷经过研磨、清洗之后就可以被上电极，被上电极的产品再进行人工极化处理后，就可做为压电陶瓷元件使用了。 极化工艺是 压电陶瓷材料获得压电性的关键工序。它是在高电场作用下，使铁电体电畴的取向尽量一致，从而获得压电性。极化的优劣很大程度上影响陶瓷的压电特性及其老化特性。 瓷一般在 1 2kV/电场中进行极化，而 瓷在3 4kV/电场中进行极化，对于 瓷，其极化电场高达 5 6kV/ 为了提高行波超声电机所用压电陶瓷的性能，进而提高行波超声电机的运转平稳性和工作效率，我们开始了对压电陶瓷极化方式的研究。压电陶瓷的极化有多种方法，使用不同极化方法对极化装置有不同的设计要求。因为希望在满 足极化要求的前提下，设计的极化装置简单可靠，操作简便，所以最终选取了热极化法。 极化对于压电陶瓷的研制和生产的整个过程来说是一个极为重要的环节，因为压电材料只有经过极化之后才具有压电性能，才能成为压电元件。极化工艺是压电陶瓷所特有的工艺。 在极化工艺上除了常用的热极化方法，还有高温低压极化法，谐振极化法等，尽量将材料的性能发挥出来。 7 2 压电陶瓷极化装置温控系统硬件设计 言 在压电陶瓷极化过程中，需要对极化槽的温度进行严格控制，以便获得优良的化特性。为了实现温度控制，就 有必要设计一个温 度控制系统。根据 化的要求，本文所设计的极化槽温控系统，将以 89片机为核心，进行整个系统的控制、管理、协调。系统将采用热电偶式温度感器作为测温元件， 以 V/F 电路作为信号 转换， 保证温度信号以数字量的形式输入计算机， 抗干扰能力强，具有良好的线性度，外围电路简单，转换速度快。还采用了光耦隔离电路抗干扰能力进一步增强。采用 制和 宽调制技术相结合，提高了测量精度。在该温度控制器中，温度和控制参数的设置、运行等功能可以由键盘及显示电路完成。这里， 采用 89仅具 有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。 度控制器的总体设计方案 系统硬件电路分为 三 部分： 89片机系统、温度检测通道、输出控制通道。 系统工作过程为： 极化槽 温度信号通过热电偶温度传感器转换成电压信号，该信号很 弱 ， 需 经放大 电路 、滤波 电路 后进行电压频率转换， 以 得到与逻辑电路兼容的脉测温 放大滤波 V / F 转换 光隔 单片机电控制 光隔 键盘 度控制器系统组成图 8 冲串，脉冲频率与温度呈精确的比例关系 ，即有 f。该脉冲经光耦隔离后，输入 单片机， 并 通过程序处理后可得到当前温度值， 计算机 将它与温度的设定值相比较得到温度的偏差， 再 通过 法运算出 控制量，此控制量经双向可控硅控制加在加热器上的电压的通断时间， 这样就 达到控制温度的目的。 极化槽的温度，中断等控制参数由键盘输入，并可随时修改，采样温度显示在。 极化槽 控制单元采用双向可控硅。单片机产生占空比可调的方波脉冲，以此来控制一个采样周期内正弦交流电波的个数，达到调节控制温度的目的 . 度传感 器 选择 现代传感器 多种多样 的原理和结构 上 千差万别，如何根据具体的测控目的，测控对象以 及测控环境合理地选择传器，是 实现温度 测控 首先要解决的问题。 事实上 当传感器选定之后，与之相配的测控电路也就相应的确定了。测控结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选择是否合理。 图 电偶实物图 温度传感器作为单片机测控系统前向通道的关键部件，对其进行选择时主要应考虑以下几个方面： （ 1）根据测控对象与测控环境确定传感器的类型 ； （ 2）灵敏度的选择 ； （ 3）频率响应特性 ； （ 4）线性范围 ； （ 5）稳定性 ； 9 （ 6）精度的选择 ； 根据论文要求温度范围在 300 0C 500 0C，温 度分辨率在 2 0C 内。由于被测温度较高，一般选择热电偶式温度传感器。热电偶是一种传统的温度传感器，其测温范围一般为 +1600 0C ，最高可达 +28000C，并且有较高的测量精度。另外，热电偶产品已实现标准化，系列化，使用时易于选择，可方便地用计算机做线性补偿，因此在测温领域内仍被广泛使用。它利用热电效应将热能转化为电能。 1) 常用的热电偶温度传感器 目前，我国广泛使用的热电偶主要有以下 8 种类型： B 型、 E 型、 J 型、 K 型 R 型、 S 型和 T 型。 B 型 铂铑 30%铂铑 60% 温度范围 +600 +17000C E 型 镍铬 铜镍 900 J 型 铁 铜镍 +750 K 型 镍铬 镍硅 +1200 N 型 镍铬硅 镍硅 +1200 R 型 铂 铂 13%铑 0 +1600 S 型 铂铑 10%铂 0 +1600 T 型 铜 铜镍 +350 所以，选择 K 型热电偶就足以满足要求 、 2) 热电偶冷端温度补偿 在实际的工程测温中，冷端温度常随工作环境温度而变化。为了使热电势与被测温度间呈单值函数关系， 必须对冷端进行补偿。所谓冷端温度补偿，就是在热电偶的冷端人为地加入一个受同一环境温度 控制、并且与热电偶具有相同电压温度系数的相反极性的补偿电势 而使冷端的总热电势不再随环境温度而变化。 常用方法有以下几种： 0 度恒温法，冷端温度校正法，补偿导线法，硬件补偿法，软件补偿法。 本系统采用硬件补偿法 ，是利用模拟式集成温度传感器或热电偶冷端温度补偿专用芯片来进行补偿，也是目前工程中最常用的补偿方法。其优点是速度快、外围电路简单、不需调整、成本低。 适合做冷端端温度补偿用的模拟式集成温度传感器典型产品有 电流输出式集成温度传感、 三端可调式集成恒流源， 和 系列电压输出式集成温度传感器等。本系统选择 其主要特点如下： 10 （ 1） 测温精度高。在单电源供电的情况下，测量精度最高可达正负 量范围1050C。 重复性误差和长期稳定性小 于正负 （ 2） 它属于两端集成温度传感器，外围电路简单。电流温度系数为 1 微安 /K （ 3） 输出阻抗高，互换性很强。 （ 4） 电压范围是 +4V+30V， V/F 变换电路设计 ，对外界数据及信号的读取基本上都是通过 A/D 方式实现的。它主要有以下几个优点： （ 1） 根据需要，可很容易地买到转换精度适用的 A/D 转换器。 （ 2） A/D 转换器与 连接可按手册或资料提供的标准进行。 （ 3） 经过 A/D 转换提供的数据可直接识别。 （ 4） A/D 转换器对数据的转换速度快，一般为几微秒 几十微秒 正是由于以上这些因素，使人们在选择单片机测控系统对信号的采集方式时，首先想到的就是使用 A/D 转换器，这已成为人们在单片机测控设计时的一个习惯。就大多数情况而言，这一选择无疑是正确和明智的，因为这是一个十分可靠、成熟和简捷的方案。然而，在本文中的温度控制系统中所面临的压电陶瓷极化应用却是另外一种情况。该单片机系统工作的环境比较恶劣 ,干扰强 扰进入系统有两种渠道： （ 1） 供电系统干扰：干扰通过电源通道进入系统。 （ 2） 过程通道干扰：干扰通过与主机相连的前向通道、后向通道及与其他主机的相互通道进入系 统。 考虑到强电控制、弱电测量、数模干扰等问题，且在本系统中温度信号变化缓慢，并不要求很高的检测速度，所以在本文中采用 V/F 转换器件作为模数转换。 V/F 转换器（ 直接把模拟电压或电流转换成与逻辑电路兼容的脉冲串，其输出频率与模拟量呈精确的比例关系。 采用 V/F 转换有以下优点： （ 1） V/F 转换器线性度高，精度高； （ 2）抗干扰性好。 V/F 转换过程是对输入信号的不断积分，它需要被测信号提供适当的驱动电流，因干扰信号不能提供电流而被滤掉； 11 （ 3）由于 V/F 转换输出是脉冲，易实现光电隔离； （ 4）占用 计算机资源少。对于一种模拟信号仅占用一个输入通道。 ，如 司的 国国家半导体公司的 列； 司的 。每一种都有它们自已特点。从性能价格比和实际需要上考虑， 本文 选用 列的 V/F 转换器。 采用换器与单片机的接中具有以下特点： 接口简单。输 入的频率信号只占用单片机的一根 I/O 口线，作为中断源或计数器输入信号。 抗干扰能力强。压 /频转换过程本身就是一个积分过程。用 V/F 变换实现 A/D 转换，就是一个频率计数过程。相当于在计数时间内进行积分，因此抗干扰能力强。 便于远距离传输。 该系统考虑到成本及性价比，选择了 U/F 变换器是通用型 U/F 变换器其主要特性为： 频率范围： 1Z 非线性：正负 单电源或双电源供电； 单电源 +5V 时也可保证转换精度； 低功耗： +5V 供电时功耗仅为 15 ，如图 示。 由图可以看出，只要在芯片外围接上适当电阻、就可构成基本应用电路。输入比较器将输入电平 x 时，启动单稳脉冲定时器，并导通频率输出晶体管和开关电流源，定时器的定时待侧信号 小电压 010V 信号 电压信号 图 ， 在这个周期中，电流 i 向电容 电，使 ，电流关断，定时器自行复位，同时 到 止。然后比较器再次启动定时器，开始下一个循环。由于注入 平均电流严格等于A V E o u tI i t f ，流出 平均电流严格等于。 这种 V/F 转换器能在较宽的频率范围内保证其输出频率严格正比于输入电压。 图 化功能框图 由式（ 2 u t （ 2 实际系统中 V/F 变换器电路如图 示。为了消除干扰，在输入端端上加一个 通滤波器，电容 F，电阻 00波器截止频率0 13 0 111 1 . 6 ( )2f H 设计中使 1V 电压对应的输出频率为 1000： )(（ 2 由上式得 ： )( 0 63 为了保正 V/F 电路的温度稳定性，电路中的电阻、电容选用温度稳定性高的器件。 C 2R 1C 1RR sC tR DV i 2 V+ 1 2 际 V/F 变换电路原理图 ，但却改变了 被测信号的读取方式，由原来的对 A/D 输出信号的直接读取变为对 V/F 变换器输出脉冲频率信号的读取。对频率信号的测量大致有两种 方法：一种是平均周期检测法，另一种是齿周期检测法。下面就分析 两种不同检测方法对信号精度的影响。 (1)平均周期检测法 平均 周期检测法的原理如图 示。定时器计数值 先设定，时钟频率 期为 0为定时时间。定时器控制计数器，定时器为 0 时，计数器开始计数：定时时间到，计数器停止计数，计数时间为0。如果计算值为 输入信号的待测频率为： )( 0 (2 14 绝对误差 ： )( 0 1N )(10 相对误差 ： 由相对误差表达式可以看出，计数值 大，测量精度越高，所以平均周期法适于高频信号的测量。 (2)齿周期检测法 齿周期检测法原理如图 示。外部待测频率为输入定时器，定时器的计数值定：时钟脉冲 入计数器，时钟脉冲频率为 期为 定时器控制计数器的启停。由于待测脉冲频率 f 未知，定时时间随待测频率变化的变量，式中 T 为待测脉冲的周期。如果在定时时间，计数器的计数 图 均周期检测法原理 图 周期检测法原理 则： 0)(0 相对误差由相对误差表达式可以看出，计数值 大，测量 精度越高。而 大对应的待测脉冲的频率越低，故齿周期法适于低频信号的检测。 本文的温度控制系统中使用了使用了 V/F 变换器，其输出频率在 010间。 在本文电路中，测温范围为 300 500 ， K 型温度传感器对应温度输出为 15 10 ，为提高测量精度，再通过放大器放大 5 倍，然后进行 V/F 转换输入单片机。 )(505101010001000 3 （ 2 本电路中频率的输出范围为 100 6000了满足低频范围信号的测量，在本文中选取齿周期检测法。 耦隔离技术 经过 V/F 转换的信号还不规则，有时会出现紊乱的现象为了使输出到单片机系统当中的脉冲信号呈整齐的波形在硬件电路中增加一光电耦合器与 D 触发器。 耦隔离 在实际的电子电路系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低，产生误动作，从而带来破坏性的后果。因此，若硬件上采用一些设计技术，破坏干扰信号进入测控系统的途径，可有效地提高系统的抗干扰能力。事实证明，采用隔离技术是一种简便且行之有效的方法。隔离技术是破坏 地 干扰途径的抗干扰方法， 硬件上常用光电耦合器件实现电 光 电的隔离，它能有效地破坏干扰源的进入，可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能状态。 光电耦合器亦称为光电隔离器或光电耦合器，简称光耦（ 它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器与受光器封装在管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接收后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了 “电 光 电 ”转换。普通光电耦合器只能传输数字信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光电耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓 宽。 典型的光电耦合电路如图 电路主要应用在模数转换的数字信号输出，及由 出的控制信号与模拟电路的接口处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将模拟电路和数字电路相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。 16 R 2 36 2 0T I L 1 1 3O U T P U 电耦合电路原理图 图 耦隔离电路图 在本文中选择 精度高性能光电耦合器，它的内部电路结构为达林顿晶体管输出，所以它的工作速度较慢，电流输出比大。经 V/F 转 换得到的脉冲信号通过耦隔离后有些变形，经施密特触发器整形后再输入到单片机，可达到抗干扰，输出信号频率能够被精确测量的要求。 耦隔离电路 如图 号从 片输入端进入，并接一电阻起到缓冲作用减弱对芯片的冲击，当输入信号为高电平时，二极管导通发光使右边的电路导通起到隔离两边的电路，使其不受到对方的干扰。 9片机 概要 片机的硬件组成结构 本设计采用 片机作为核心控制单元，并利 用驱动器 7407 芯片来增强和 的总线驱动能力。 作计时器的外部输入端。 作报警显示，当其为低电平时二极管发光起到报警作用。 一种低功耗、高性能 有 8K 在系统可编程 储器。使用 司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80品指令和引脚完全兼容。片内 许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在系统可编程 得 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 、超有效的解决方案。 89片机引脚图 示。 89括以下标准功能 : 17 图 T 89 片机 与 8 1000次擦写周期 全静态操作： 033 三级加密程序存储器 32个可编程 I/ 三个 16位定时器 /计数器 全双工 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 引脚 说明 主电源引脚 20脚）：电源地电平。 40）脚：电源供电电压 外接晶振或外部振荡器引脚 19脚）：当外接晶振时，接外部晶振的一个引脚。片内振荡器 由一个单级反相器组成， 外部振荡器提供时钟信号时，图 9 18 则由 18脚）：接外部晶振的另一个引脚，片内为单级反相器的输入 当外部时钟源提供时钟信号时，则本引脚浮空。 多功能 I/3932脚 ）： 8们并行 I/为输出口时，每个管脚可带个 外扩存储器时，它定义为 8位地址总线。当定义为 I/准双向 I/写入 “1”后就成为高阻抗输入口。在对片内 0口接收字节代码，在程序校验时输出字节代码。程序校验期间应外接上拉电阻。 18脚）：内接上拉电阻的位准双向 I/负担 4个 2128脚）：内接上拉电阻的 8位准双向 I/接 4个 访问外部存储器时定义为高 8位地址线时，它将 输出特殊功能寄存器中内容。 1017脚）：内接上拉电阻的 8位准双向 I/接待 4个 控制、选通和复位引脚 9脚）：复位信号输入端。振荡器启振后，该引脚置高电平 ，并持续 2个周期以上系统进行复位；在定时监视器定时输出后引脚成高电平并持续 96个振荡周期。特殊功能寄存器 址 8的 认的 30脚）： 访问外部器件时 位地址打入锁存器。在 非访问外部器件期间， ，可用于外部数或时钟信号。 29脚）：访问外部程序存储器读选通信号。在访问外部程序存器读取指令码时，每个机器周期产生两次有效信号 ，输出两个 执行片内程序存储器取指令码时不产生此脉冲，在读写外部数据时，不产生 1脚 )： 0000H元访问外部程 序存储器，则 如果保密位被编程，则复位时内部锁存 则 000果外部还有扩展程序存储器，则 对片内 引脚施加 12果选用的 2 19 脚接法 2脚 )接来自键盘的中断信号。 3脚 )输 入经过处理的温度信号。触发器 74155进行 I/ 当温度较低就延长加热时间 ,当温度过高就减少其加热时间来维持温度的恒定。 盘及显示电路 键盘显示系统采用矩阵键盘和 3 个七段数码管 示，以实现用户的输入和数据 输出。键盘的 7 个键 来完成温度的预设以及控制系统的停止和启动。七个开关分别接在 的七个 I / O 口来完成参数的设置，并且和 6 个与门搭配来实现单片机的中断系统。当前的温度值通过 3 个七段数码管 示了。 图 盘控制电路图 图 盘控制电路图 20 图 示电路 电驱动 与 控制 电路设计 在本文中对该部分电路的设计，主要应解决两个问题：对强电（ 控制；弱电（ 89强电的隔离。 单片机测控系统的开关信号，往往是通过芯片给出的低压直流如 种电平信号一般不能直接驱动外设，而需经过接口转换等手段处理后才能用于驱动设备开启或关；许多外设产生的干扰如不加隔离可能会串到测控系统中造成系统误动作或损坏，因此在接口处理中亦应包括隔离技术。 常用的功率开关接口器件及电路有功率开关驱动电路及功率型光电耦合器、集成驱动芯片及固体继电器等。 其中，可控硅是一种大功率电器元件，也称晶闸管；它具有体积小、效率高、寿命长等优点。在单片机控制系统中，可作为大功率驱动器件，以实现用小功率控制大功率。 控硅的工作原理 可控硅整流器（ 一种三端固态器件，其阳极相当于晶体管的集电极，阴极相当于基极。可控硅整流器只工作在导通或截止状态，故可作为开关器件。使 般输出负载电流和输入驱动电流之比大于 1000，是较为理想的大功率开关器件。但是，由于 部的反馈特性，它一旦导通，即使去掉门控电流也不会截止，如果负载电流去掉以后再加上，则 变为截止。由于这一特性， 交流功率开关电路中得到了广泛的应用，因为交流电在每半个周期都会过零一次，开关截止都不成问题 。所以在本文中通过控制可控硅的通断对强电（ 行控制。 21 图 控硅实物图 控硅控制电路的设计 在本文的可控硅控制电路中，要求在电源电压为零或刚过零时触发可控硅，减少可控硅导通时对电源的影响。这种触发方式，称为过零触发。过零触发需要过零检测电路，有些光电耦合器内部含有过零检测电路，如 如图 示就是本文所采用的 向可控硅触发电路。 双向可控硅输出型的光电耦合器，输 出端额定电压是 600V,最大重复浪涌电流为 1A，最大电压上升率 dV/ 1000 ，一般可达 2000 ，输入输出隔离电压大于 7500V。输入控制电流为 15 该电路的工作原理是：当 89电平时 ,脚和 4脚之间的电压稍过零时 ,内部双向可控硅导通 ,触发外部双向可控硅 通。当 向可控硅 图 过零触发的双向可控硅触发电路 图 限流电阻，使输入级的发光二极管（ 流不超过 1 3 ）（）（）（ （ 2 式中 户移相控制信号低电平输出端电压； 89 S 52P 1 . 0M O C 3061 负载 4C 220 R 27407R 1V 2 红外发光二极管的正向电压，约 红外发光二极管的正向连续工作电流，约 15工作温度在 25以下，适当增加。 所以，在实际电路中， 80电阻。 有小于或等于 500 入电阻 限流电阻，用于限制流经 A。 0V，所以限流电阻取稍大于 20，本文中选取 7。 触发双向可控硅的限流电阻，其值由交流电网峰值电压及触发器输出端允许峰值浪涌电流决定，可按下式选取： 3 2 2 0 2 1 3 0 8P T S I （ 2 式中 流电路中的峰值电压； 值浪涌电流（一般可取 1A）。 实际 电路中，我们选用的是 330 电阻作为 另外， 39 电阻和 容组成浪涌吸收电路，防止损坏双向可控硅。 压装置 其基本的工作过程都是：高频振荡产生低压脉冲 脉冲变压器升压到预定电压值 脉冲整流获得高压直流电，因此直流升压电路属于 C 电路的一种类型。 图 最后 本文得到温度控制电路总图 如下： 23 图 3 温度控制器的程序设计 制算法的研究 我们用单片机系统对加热过程进行控制。在本文的极化装置中，加热的一个很重要的指标是温控精度。 温控精度一方面由温度采样和加热控制时所能达到的最小差别决定，这些由硬件决定。这里讨论温控精度的另一方面：恒温保持的稳定性。在极化的整个过程当中，加热器需要做到恒温保持。事实上任何控制系统都做不到真正的恒温保持，温度总是围绕默认值不停地振荡。我们要做的就是追求尽可能小的振荡幅度。最基本的控制方法是采样极化槽内温度，高于默认值就断开 加热，低于默认值就接通加热。由于加热器件的物理惯性，槽内温度每次等于预设温度后，都会发生较大的过冲。从控制论的原理考虑，这是因为反馈信息只有被控制量的当前值，不能反映被控制量的变化趋势。我们采用了 制方法，用被控制量的当前值和一阶导数作为反馈信息，利用单片机软件实现，实验结果得到了比较满意的振荡幅度。 制原理 自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量适当的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。本文的控制算法采用了 制 。 例 积分 微分）控制器是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，使用中不需精确的系统模型等先决条件。因而，成为应用最为广泛的控制器。 制器是根据系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 24 如图模拟 制系统原理框图所示，输入值 )(测量值 )(比较，得出偏差)()()( ，然后对偏差 )(行处理，并将各个作用通过线性组合构成控制作用 )( 图 拟 其中，与 )(比例的分量，称为比例控制作用 )(P
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