压电结构电/气转换装置的研制及其特性分析

    1　前言

    电/气转换器和定位器是一种工业自动化仪表,广泛应用于石油、化工、冶金、电力、造纸等自动化生产部门。电/气转换装置是电/气转换器和定位器的核心元件,我国生产的电/气转换装置主要是基于机械力平衡原理,即以机械结构为主^[1],由于其结构复杂,调整麻烦,易磨损、耐环境差等缺陷,已不能满足现在优质、快速、稳定的自动化生产要求。国外生产的相关产品已突破了传统的机械模式,尤其是功能材料压电陶瓷的应用,大大提高了产品的性能,增加了产品的寿命^[2]。

    目前,关于压电在电/气转换装置上应用的资料极少,本文作者根据压电双晶片执行器在外加电压下产生弯曲变形,设计研制了基于压电结构的电/气转换装置,对其静特性进行了理论分析,并进行了试验研究,为压电新结构电/气转换器和定位器的研制打下基础。

    2　压电式电/气转换装置的工作原理

    由于背压室气压对喷嘴挡板间隙变化很灵敏,挡板初始安装位置会影响整个转换装置特性,如图1所示,压电双晶片固定在上、下端盖之间,下端盖和下壳体螺纹连接,可以灵活调整双晶片的初始位置。进气节流阀的开度直接影响挡板初始安装位置,节流阀采用锥形结构,如图2所示,d1是进气管道内径,θ是锥阀的半锥角,l1是阀心从锥阀闭死到图示开度下的轴向变化量,EF表示最小节流截面的宽,锥阀的最小截流面积A1近似为

　　A₁=πd₁l₁sinθ                (1)

    可以通过改变锥阀开度l₁来调整进气口截流面积,工作时保持l₁不变。

    利用压电材料的逆压电效应,通过调整双晶片与喷嘴间距离,来调整背压室气压。

    2　静特性理论分析

    2.1　双晶片驱动位移模型

    双晶片结构是把两片相同的压电片串联粘贴在一起,在外电压作用下,由于上片极化方向与电场方向相反,下片极化方向与电场方向相同,从而导致上片伸长,下片收缩,造成整个悬臂梁向下弯曲,图3为弯曲图形。设压电片长为l,厚为h,压电常数为d₃₁,则压电双晶片驱动位移模型为^[3,4]

    2.2　气流对双晶片位移的作用

    因为双晶片从夹持端至喷嘴的有效长度远大于喷嘴直径,所以近似认为双晶片作为挡板一端平行下移,挡板端受力如图4所示。其中F为作用在双晶片上垂直方向力的分量,取背压室和喷嘴为参考截面(见图4中截面1-1、2-2),双晶片在F作用下产生的位移δ′为^[5]