压电结构电气转换装置结构设计与实验研究

    电气阀门转换器或定位器是气动调节阀的主要附件,与气动调节阀配套使用,保证调节阀按设定的要求正确定位,是自控仪表和自控系统中进行信息和能量转换的核心元件^[1]。传统的电/气转换器主要基于机械力平衡原理,即以机械结构为主,因其具有结构复杂,调整麻烦,易磨损,耐环境差,寿命短等缺陷,已不能满足现代高精度的自动化生产要求。目前,国外生产的相关产品已突破传统的机械模式,而我国大多数变换器厂仍以老产品为主,研制新一代产品代替传统的机械结构势在必行。随着微机技术、通信技术和控制技术的发展,电气转换器、定位器正逐渐取代传统的机械结构向电子化、智能化方向发展,每一次技术的进步都和转换装置的革新有着紧密联系,因此,国内外各大仪表公司都把主要精力用在新结构转换装置的研发上[2-3]。本文作者跟踪国内外转换器、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。该装置打破了传统的喷嘴挡板结构,代表了电气转换装置新的技术发展方向,实验研究证明该结构方案可行。

    1　压电结构开关阀结构及转换原理

    1.1　压电执行器的选择

    压电陶瓷在外电场作用下会引起材料的机械变形,根据压电陶瓷的横、纵向效应,压电执行器主要有叠堆和双晶片两种结构。和叠堆结构相比,双晶片可获得较大位移,它通常有悬臂梁和复合圆盘两种结构。图1为双晶片悬臂梁结构,上片压电片极化方向与外电场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,造成整个悬臂梁向下弯曲。图2为压电复合圆盘结构,也是利用压电陶瓷的横向效应,与悬臂梁结构驱动原理相同。图3为压电复合圆盘在中间铜电极四周固支的情况下,加入E,整个复合圆盘向下弯曲变形示意图。本文将以双晶片悬臂梁和复合圆盘两种执行器为动力源进行实验研究。

    1.2　压电结构电/气转换装置工作原理

    图4为以压电复合圆盘结构为例研制的电/气转换装置结构图。压电双晶片在外电压作用下向下弯曲,作用在压电阀进气通孔上,此时两个排气通孔连通;当压电双晶片在反向电压作用下向上弯曲,把上面排气通孔压住,使进气通孔与下面排气通孔连通。由上可知,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,气源损耗可忽略。