压电结构电/气转换器技术研究

　　1　引　言

　　电/气转换器是气动执行器的主要附件,在自控仪表和自控系统中实现信息转换和能量转换,广泛应用于石油、化工、冶金、电站、水利等工业自动化控制系统[1]。传统的电/气转换器主要是基于机械力平衡原理,即以机械结构为主,其结构复杂、调整麻烦、易磨损、耐环境差、寿命短,已经不能满足现代自动化生产要求。目前,国外生产的相关产品已经突破了传统的机械模式,而我国大多数转换器厂仍以老产品为主,研制新一代电子式、智能式产品代替传统的机械结构,势在必行[2,3]。

　　本文跟踪国内外转换器、定位器技术研究现状,根据压电陶瓷驱动特点,以压电双晶片为执行器,设计了基于开关原理的压电新结构电/气转换装置及电路控制系统,该转换器突破了传统的喷嘴挡板结构,代表了电/气转换器新的技术发展方向,为我国自控仪表的升级换代打下了基础。①

　　2　压电阀转换原理

　　2.1　压电执行器的选择

　　双晶片结构是将两片压电片双面对称粘贴在一块弹性梁上,一端夹持,一端自由,如图1所示。在外加电压V作用下,双晶片上片极化方向与E相反,下片极化方向与E相同,从而导致上片伸长,下片收缩,两片的差动作用形成弯矩,使双晶片发生弯曲变形,双晶片具有单位电压变形大的突出优点[4,5]。

　　2.2　压电阀的基本结构及动作原理

　　压电微型阀的基本结构及动作原理如图2所示,图2(a)是压电阀在初始状态下示意图,即不通电时,双晶片作用在喷嘴口1上,这时,喷嘴口2与喷嘴口3与先导腔连通,形成一个整体。当压电片连通电源时,如图2(b)所示,双晶片变形向上弯曲,把喷嘴口3压住,使喷嘴口2与喷嘴口1连通。由此可知,压电阀只有通和断两种状态,压电转换元件采用两个压电微型阀,需要加大阀门开度,则打开进气阀。否则打开出气阀,状态稳定时,两阀均处于切断状态,将执行器锁定在设定位置,这和传统定位器相比,气源损耗几乎可以忽略不计。

　　3　压电阀关键结构设计

　　3.1　压电陶瓷片的选择

　　压电双晶片弯曲位移理论公式为[6]:

　　由式(1)可知,压电片越薄、长,驱动位移越大,但刚度越小;压电片越厚、短,驱动位移越小,但刚度越大。所以薄压电片厚电极,以及厚而长的压电片薄电极是理想选择。

3.2　压力腔尺寸设计

　　电/气转换装置中一个很重要的参数就是响应时间,而响应时间主要取决于压力腔中气体的动作时间,即充放气所需时间。压力腔中的气体充放过程可以看成是绝热过程,且节流孔处气体流速在超音速范围内。