压电式电-气转换器的循环疲劳试验

　　0　引言

　　压电智能式电-气转换器以压电陶瓷双晶片作为主要执行部件。由于压电器件在交变电场下经过长时间工作以后,会出现性能趋向劣化等情况,并时常伴随电阻的异常变化、微裂纹的萌生和扩展等,严重时会导致器件的失效,这成为限制压电陶瓷大规模应用的主要问题[1-2]。通过对压电双晶片做循环疲劳试验,对压电式电-气转换器的电致疲劳性能进行了试验研究

　　1　压电陶瓷复合圆盘

　　压电陶瓷在外电场作用下,会产生机械变形,这种现象称为逆压电效应。压电陶瓷双晶片是由两片形状大小完全相同的压电陶瓷片对称粘贴在弹性梁的两侧,或直接粘贴在一起而形成的,压电双晶片是一种应用很广的压电元件,它具有单位电压所产生的变形量大的突出优点,另外,它是利用逆压电效应将电能转换为机械能,可以通过一个电输入信号而非机械量输入来产生所需的运动,可以实现机电隔离,而且它还不受温度、外界振荡等环境的影响。

　　双晶片通常有悬臂梁和复合圆盘两种结构,如果压电陶瓷晶片为圆盘型,则压电双晶片又叫压电复合圆盘,其结构如图1所示。与悬臂梁结构相比,复合圆盘结构应用更加广泛,而且且它可以克服悬臂梁抗干扰弱、易振颤的缺陷,反应灵敏、响应快、稳定可靠、重复性好。在图1所示的复合圆盘结构中,上下两片压电陶瓷片方向相同、极性相反,如果中间金属电极四周被固支,则在外电场的作用下,上下两片压电陶瓷在横向方向上会一个伸长而另一个缩短,二者所产生的差动作用将使整个复合圆盘产生向上或向下(根据电压的极性不同)的弯曲变形。

　　2　压电式电-气转换器转换装置结构及工作原理

　　压电式电/气转换装置如图2所示,采用喷嘴/挡板机构的转换原理,创新之处是它的挡板选用图1所示的压电陶瓷复合圆盘,有助于实现产品的智能化。其转换原理为:0.14 MPa的恒定气源经右侧的主节流孔进入被压室,并从喷嘴与挡板的间隙流入大气,由喷嘴和压电陶瓷复合圆盘挡板所形成的气流通道可以看成一个可变节流口,喷嘴与挡板之间的间隙的变化将引起通过其间隙的空气流量的变化。输入主节流口的气源压力(0 .14 MPa)是固定不变的,在一定间隙范围内,当挡板靠近喷嘴时,被压室的压力即输出压力将随之增大;反之,当挡板离开喷嘴时,输出压力将随之减小。这样,输出压力与喷嘴挡板间隙有着一一对应的关系,也就是通过对喷嘴挡板间距进行精确的控制即可实现由输入气压到输出气压的转换。在挡板初始位置固定的情况下,因压电复合圆盘固定在上、下端盖之间,四周固支,所以给其施加外加电压,它就会产生向上/向下的弯曲变形,从而可以改变喷嘴和挡板之间的间隙,外加电压越大,间隙就越大,从而输出气压即由大变小,反之由小变大,因此输出气压和外加电压之间就呈一一对应关系,控制复合圆盘两端电压的大小和方向就可以控制喷嘴与挡板之间的间隙,从而可以控制输出气压的大小。