电/气
转换器、
定位器是气动执行器的主要附件，在工业自动化生产过程中占有极其重要的地位。近几年，随着微电子技术、控制理论和计算机技术的发展，电/气转换器、定位器已有逐渐取代传统机械式结构，向电子化、智能化方向发展的趋。子化和智能化产品在控制思路、实现功能上都大同小异，关键技术就是转换装置的不同。转换装置性能的稳定性直接决定了转换器或定位器性能的优劣，每一次转换器或定位器技术的更新都与转换装置的革新有着紧密的联系，因此，国内外各大仪表公司都把主要精力放在新结构转换装置的研发上。
一、电/气转换装置分类及工作原理
电/气转换装置简称I/P转换单元，按结构形式可分为线圈滑阀式、线圈喷嘴挡板式和压电阀式三种结构。线圈滑阀式结构主要在
电磁阀中采用;线圈喷嘴挡板式I/P转换单元结构简单、制造方便、成本低，电/气转换器、定位器转换元件绝大多数仍采用这种结构方式;压电阀式I/P转换单元最早出现在20世纪90年代SIEMENS公司推出的SPIARTPS智能
调节阀定位器中，它具有高抗振动性、高可靠性、低功耗、低耗气等特点，能满足智能
阀门定位器对I/P转换单元的要求。
以常见的喷嘴挡板结构为例，其工作原理如图1所示，喷嘴挡板机构主要由恒节流孔、喷嘴挡板及背压室串联组成。工作时，气流(气压ps恒定)经恒节流孔进入背压室，当挡板远离喷嘴时，由于背压室内径远大于恒节流孔直径，空气经喷嘴排出，背压室气压几乎为零。当挡板紧密接触喷嘴时，空气不能由喷嘴排出，背压室气压等于进气压力。调整挡板与喷嘴间距就可以调整背压室气压。
二、转换装置国内外技术发展现状
1、传统I/P转换单元
传统的机械式电/气转换器工作原理如图2所示。当输入电流I增大时，线圈与电磁铁产生的吸力增大，杠杆做逆时针旋转，带动挡板靠近喷嘴，背压室气压升高，从而使波纹管气压升高，对杠杆产生向上的反馈力。由图可见，机械结构喷嘴挡板和整个转换器是一体的，机械部件易磨损，机构繁杂，调节环节多，抗振动冲击性差，任何一个部位出现磨损或其他故障，整个生产都要停下来，维修、调整费时费力。但是，这种转换器或定位器具有价格低廉、使用安全、防燃、防爆等优点，目前我国大多数企业仍在广泛使用。
图3是美国SAMSON公司根据机械力平衡原理生产的电/气转换装置原理图，用于电/气转换器。日本山武·霍尼韦尔公司生产的HEP电/气阀门定位器，上海长成自控设备有限公司生产的QZD—2000型电/气转换器以及2000型系列电/气阀门定位器，常州市石化仪表厂生产的QED2000电/气转换器、EP3000电/气阀门定位器、IPD2000电/气阀门定位器等都是基于上述机械力平衡原理的，转换装置结构都相似。
2、电子产品中I/P转换单元
电子式电/气转换器、定位器控制原理完全不同于机械力平衡原理，给定值与实际反馈值的比较完全是电信号，不再是力平衡，减少了中间传递环节，提高了抗干扰能力。电子式转换器的出现，实现了转换器的微小化和转换装置的模块化。模块化结构为现场维护带来了方便，当转换装置出现故障时，只需更换转换模块，不需要重新接线或再次标定，从而保证生产连续进行。从近几年的发展看，电子式产品在电信号的控制上差异不大，都采用简洁的PI(D)控制，但转换装置却千差万别。转换装置性能的灵敏性、可靠性和稳定性决定了整个转换器性能的好坏，各大公司纷纷投入精力研制性能更优良的转换装置。
图4是美国Bland公司生产的一种用于电子式电/气转换器中的转换装置，其转换单元采用质量很轻的膜片作为喷嘴挡板，当线圈通入直流电流时，中间铁心被磁化，吸引质量很轻的带硬心的平膜片使其产生位移，从而改变背压室压力。平膜片质量轻、惯性小。转换装置通过塑胶垫与底座插拔连接。这种全封闭软磁包容结构，使转换装置的变换精度高、效率高、能耗小、响应快，代表了当前转换器的先进技术。可以看出该结构具有如下特点：①采用插头式的模块形式，便于用户进行现场维修。当电/气转换器出现故障时，一般只需拔下电/气转换模块，换上新模块即可，不需要重新接线或断开管路，也无需再次标定，所以不改变实际的作业流程。②气路、磁路一体化，结构紧凑，缩短了气流管路，压力信号滞后小。③弹性膜片是唯一的可动元件，且质量非常小(小于1g)，惯性几乎可以忽略，这样就消除了安装姿势对转换器特性所产生的影响，并有效地提高了动态响应特性。
美国Rosemount公司开发出了通用的电子化的电/气转换器Type846，其转换装置结构如图5所示。磁力执行器作为喷嘴挡板，由永磁铁和线圈组成，挡板部分是一个圆柱体，当它靠近发射喷嘴和接收喷嘴时，遮挡气流，输出气压降低，反之，气压升高，接收喷嘴的压力将随着圆柱体的位移而变化。线圈电流由电路提供和控制，电/气转换器整体是一个闭环电子控制系统。由于转换装置在结构上是模块化的，作为一个功能模块，很容易移植到其他产品中。Type846磁力执行器转换装置获得了发明专利，并应用在该公司开发的数字式智能型阀门控制器中。
3、智能产品中I/P转换单元
智能定位器以微处理器为核心，采用数字定位，加强并扩展了定位器的功能。德国SIE2MENS公司生产的智能阀门定位器首次采用压电微型阀作为转换装置。压电阀是利用功能陶瓷片在电压作用下产生弯曲变形原理制成的一种
控制阀（5），其动作原理如图6所示。图6a是压电阀在初始状态下的示意图，即不通电时，功能陶瓷片作用在喷嘴口1上，这时，喷嘴口2和喷嘴口3与先导腔连通，形成一个整体。当压电阀连通电源时，如图6b所示，功能陶瓷片变形向上翘，把喷嘴口3压住，使喷嘴口2与喷嘴口1连通。压电转换元件采用两个压电微型阀，压电阀只有通和断两种状态，需要加大阀门开度时，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，和传统定位器相比较，其气源损耗几乎可以忽略不计。
目前，智能定位器的开发引起各大仪表公司的关注，但是，定位器功能都大同小异。图7是美国FISHER—ROSEMOUNT公司生产的DVC5000智能阀门定位器中电/气转换装置照片。当有电流通过线圈时，磁化线圈铁心，吸引上端盖使其产生微小位移，与上端盖一体化的U型弹性梁起到位移放大作用，喷嘴可前后移动。和传统的喷嘴挡板结构相比较，其气压初始值调整更加方便灵活，电/气转换性能稳定，结构制作精良，体现了精美的设计思想。文献（7）利用自行设计的正平面弹簧结构，成功地应用在电/气转换阀门上，拓展了我们的思路。
4、其他结构电气转换装置
图8是利用超磁致伸缩材料(giantmagne2tostrictivematerial，GMM)进行新型电/气转换器的实验研究示意图。如图所示，GMM在外磁场作用下产生较大的伸缩应变，带动输出杆产生位移，起到挡板的作用。实验曲线如图9所示，可看出，输出压力与输入信号有良好的线性关系。
三、新结构I/P电气转换单元研究
如上所述，随着各种功能材料的广泛应用，给电/气转换元件的开发带来了新的变化，代表了转换装置的最新技术动向。电/气转换器、定位器要求驱动电压、驱动电流越低越好，一方面有防燃、防爆本质安全特性要求，另一方面要降低能源消耗，易于控制。SIEMENS公司产品中压电阀最高驱动电压为24V，超磁致伸缩结构转换装置驱动电压很低，但是驱动电流很大，要1～3A，给实际应用带来困难。笔者所在课题组利用压电复合圆盘作为挡板研制的新结构电/气转换装置，在驱动电压低于10V，驱动电流低于3mA情况下，就可以满足工业现场对转换器、定位器输出气压的要求，从而为研发具有自主知识产权的新一代电气转换器、定位器创造了条件。
图10是压电复合圆盘转换装置结构图，双晶片固定在上下端盖之间，为便于观察，上端盖材料采用有机玻璃，下端盖和下壳体用螺纹连接，可以灵活调整双晶片的初始位置。外加电压作用在双晶片上，从而通过调整双晶片与喷嘴之间的距离来调整背压室气压。
压电复合圆盘结构参数的选择对降低驱动电压至关重要。通过对压电复合圆盘驱动位移的理论与实验研究，找到影响复合圆盘驱动位移的主要影响因素，并通过对主要因素进行正交实验，得到了静态特性最佳组合，即压电陶瓷直径为40mm、厚度为0.2mm、中间铜电极厚度为012mm，大大降低了驱动电压，实验曲线如图11
所示。由图可以看出，在这组参数组合下，输入电压在0～5V之间与输出气压基本上是直线关系，在5V之后，压电双晶片变形较大时，输出曲线有较缓和的变化，驱动电压在0～8V左右就可以满足输出气压0102～0110MPa的要求，且升降压之间的迟滞也非常小，使控制更加简单易行。
四、结论
电子化、智能化产品中转换装置都普遍采用模块化结构。随着功能材料的广泛应用，智能材料在转换装置中的应用成为新的研究热点。目前，我国依然以生产机械结构电/气转换器、定位器为主，自主研发电子化、智能化产品能力不强，因此，必须把引进与创新相结合，科研与生产相结合，高起点、高投入，着重加强具有自主知识产权的新结构转换装置的研发，从而开发高水平电子化、智能化产品，早日实现自主规模生产。
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