压电式电/气转换器的结构原理及正交试验浅析

    在工业自动化生产尤其是过程生产中，电/气转换器用来控制电信号转化为相应的气压信号，从而控制调节阀等各种执行器动作。己被广泛的应用于石油、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、使用寿命短等原因，已不能适应现代综合自动化生产技术。迫切的需要自主研制新一代性能卓越的产品。
    压电双晶片是一种目前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。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。
    本文将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。
一、压电结构电/气转换器结构及工作原理
    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。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。
    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。

    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。


二、实验研究与分析
    1、实验系统
    实验用气路及装置如图3所示。调节进气阀和稳压器，使压力表保持在0.14MPa恒定。调节锥形节流阀开度和双晶片挡板初始间距h₀，使得初始输出气压为0.1MPa，即最大值。给压电片加电压，使双晶片弯曲远离喷嘴，背压室气压随之降低。即让压电复合圆盘挡板向上弯曲，这样可以保证高电压时喷嘴挡板一定是相离的，以防止二者接触时造成整个装置带电，从而增强了安全性。同时，更易找到喷嘴挡板特性最好的工作区间。驱动电压越高，背压室气压越低，直到达到要求，即为输出气压最小值0.02MPa。
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    2、正交试验参数选择与实验分析
    利用电涡流计对压电复合圆盘灵敏度进行标定，其中心弯曲位移随外电压变化呈线性关系。因此，实验设计中可直接取位移影响因素为驱动电压正交试验参数。
根据已有的压电复合圆盘位移公式可看出，影响位移因素主要有压电片厚度、直径、压电材料系数、中间金属电极厚度、弹性模量等。但弯曲位移公式非常复杂，很难直观看出各因素对弯曲位移的影响规律，因此本实验选取压电陶瓷片直径、厚度与中间电极厚度3因素（分别称为A、B、C）做正交试验。其具体水平数为
    （1）A：Ø20mm，Ø25mm，Ø30mm，Ø35mm，Ø40mm
    （2）B：0.2mm，0.3mm，0.4mm
    （3）C：0.1mm，0.2mm，0.3mm
    决定选用L18（6×3⁶）正交试验表，将A凑为6水平，即引入一个拟水平。实验结果如表1所示。3因素的趋势图如图4所示。



    T_j1～T_j5分别表示压电陶瓷直径为Ø20mm、Ø25mm、Ø30mm、Ø35mm、Ø40mm时的驱动电压。由表可见，A、B、C的最低驱动电压T₁₅、T₂₁、T₄₂分别为27.47V、27.68V、42.35V。由此可知，好的参数搭配为A₅B₁C₂，即压电陶瓷直径为Ø40mm、厚度为0.2mm、中间电极厚度为0.2mm时驱动电压可达最小。通过补充实验得到，在这组参数下驱动电压仅为8.2V。
    由极差分析理论，极差值越大说明该因素对实验结果影响越大，反之越小。由表1可知R₂>R₁>R₄，所以各主要因素的主次顺序（主→次）为B→A→C。
    3、正交表的方差分析
    方差分析如表2所示。将表1中的7号列作为误差列。

    此时误差平方和的自由度较小，因此采取放宽显著性水平的办法，取α=0.25，f_{（4.2。0.75）}=3.23，由于F_A>3.23，所以A是影响驱动电压的主要因素。同理，f_{（2，2，0.75）}=3.00，由于F_B、F_C均大于3，所以B和C也是影响驱动电压的主要因素，而交互作用A×B、A×C和B×C列算出的极差远小于3个主要因素的极差，且在给定显著性水平α=0.25下，通过F2检验，这三个交互作用不显著，因此交互作用可以忽略。这说明在本正交试验中，压电陶瓷片的厚度对驱动电压影响最大，其次为压电陶瓷片的直径和中间电极的直径，而三者之间的交互作用对驱动电压几乎没有影响。
三、试验结论与未来的展望
    a.选择压电片直径为Ø40mm、厚为0.2mm、中间电极厚度为0.2mm的压电复合圆盘结构，获得了良好的实验结果，可以满足工业现场对低电压的要求，提高了防燃防爆特性，为新型压电智能型电/气转换器电源设计及控制系统的优化打下了良好的基础。
    b.采用正交试验找到了压电陶瓷片直径、厚度与中间电极厚度三者的最优组合。在实现输出气压0.02～0.10MPa的工业现场要求下，将控制电压由原来的50V左右降到了8.2V。
    c.压电复合圆盘结构克服了悬臂梁抗干扰弱、易振颤的缺陷，气压输出对输入电压反应灵敏，电压有一微小波动，气压随之同步变化，并具有良好的重复性。
    d.由极差及方差分析可知影响驱动电压的最主要因素是压电陶瓷片的厚度，其次是其直径和中间电极厚度，所以可确定压电陶瓷片厚度是最主要的性能结构优化考虑因素。
    从实验结果得出结论：各因素对驱动电压的影响并不是线性的，如中间电极直径也并不是越大越好，而是3个主要影响因素有一个最佳配比。同时在实验分析中我们还发现压电陶瓷直径和中间电极直径比以及粘结剂的选择对驱动电压也有影响，对此我们将在以后的实验中作进一步研究分析。

参考资料
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