压电式电/气转换器膜片驱动电压的正交试验

    电/气转换器将作为控制的电信号转化为相应的气压信号,促使阀门等各种执行器动作,在工业自动化生产尤其是过程生产中占有重要的地位,被广泛应用于石油、化工、冶金、电力、造纸等自动化生产部门。目前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;而我国生产的传统的电/气转换器因其结构复杂,调整麻烦,使用寿命短,已不能适应现代综合自动化生产技术。自主研制新一代性能卓越的产品势在必行^[1-2]。

    压电双晶片是一种应用很广泛的压电元件,其最大的优点是通过一个电输入信号而非机械量输入以产生所需的运动来实现机械隔离^[3]。因其不受温度、振荡等外界环境的影响,可直接作动力源,从根本上克服了薄膜电子式电/气转换器薄膜片失效的问题。

    本文在大连理工大学自行研制的压电式电/气转换器的基础上,对驱动膜片静态特性进行了正交试验研究,提出压电驱动膜片及中间电极参数的最佳组合,达到了降低驱动电压的目的。

    1　压电结构电/气转换器结构及工作原理

    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变形,根据压电陶瓷的横向和纵向效应,压电执行器主要有叠堆和双晶片两种结构。双晶片由两片形状相同的压电片对称粘贴在弹性梁的两侧,或直接粘贴在一起。与叠堆结构相比,双晶片具有单位电压变形大的突出优点。双晶片通常有悬臂梁和圆盘两种结构。其中,复合圆盘在外电压作用下,两片的差动作用形成弯矩,使双晶片发生弯曲变形,其应用很广泛^[4]。且压电复合圆盘结构克服了悬臂梁抗干扰弱、易振颤的缺陷,反应灵敏,响应快,稳定可靠,重复性好^[5]。

    图1为压电复合圆盘结构,它利用了压电陶瓷的横向效应。在中间金属电极四周固支的情况下,加入外电场,整个复合圆盘将发生弯曲变形.

    1.2　压电式电/气转换装置结构

    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,通过电信号控制压电复合圆盘挡板相对于喷嘴的位移,改变气路的输出特性,从而实现电气信号转换的目的。外加电压决定了压电复合圆盘垂直方向位移的大小,通过改变挡板与喷嘴之间的距离调整背压室气压。背压室气压对喷嘴挡板间隙变化很灵敏,因此挡板需要调整到一个合理的初始安装位置,以保证转换装置具有较合适的灵敏度,且能工作在特性较好的区间。由图可知,复合圆盘固定在上、下端盖之间,下端盖和下壳体用螺纹连接,旋转上端盖即可灵活调整双晶片的初始位置。锥形节流阀用来调整气路的特性,锥阀开度的调节配合双晶片初始位置的调整,基本确定了整个转换装置转换特性。