探讨分析压电结构电/ 气转换器的技术研究

    传统的电/气转换器主要是基于机械力平衡原理，即以机械结构为主，其结构复杂、调整麻烦、易磨损、耐环境差、寿命短，已经不能满足现代自动化生产要求。目前，国外生产的相关产品已经突破了传统的机械模式，而我国大多数转换器厂仍以老产品为主，研制新一代电子式、智能式产品代替传统的机械结构，势在必行。
    本文跟踪国内外转换器、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/气转换装置及电路控制系统，该转换器突破了传统的喷嘴挡板结构，代表了电/气转换器新的技术发展方向，为我国自控仪表的升级换代打下了基础。
一、压电阀转换原理
    1、压电执行器的选择
    双晶片结构是将两片压电片双面对称粘贴在一块弹性梁上，一端夹持，一端自由，如图1所示。在外加电压V作用下，双晶片上片极化方向与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，两片的差动作用形成弯矩，使双晶片发生弯曲变形，双晶片具有单位电压变形大的突出优点。
    2、压电阀的基本结构及动作原理
    压电微型阀的基本结构及动作原理如图2所示，图2（a）是压电阀在初始状态下示意图，即不通电时，双晶片作用在喷嘴口1上，这时，喷嘴口2与喷嘴口3与先导腔连通，形成一个整体。当压电片连通电源时，如图2（b）所示，双晶片变形向上弯曲，把喷嘴口3压住，使喷嘴口2与喷嘴口1连通。由此可知，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，需要加大调节阀开度，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，气源损耗几乎可以忽略不计。


二、压电阀关键结构设计
    1、压电陶瓷片的选择
    压电双晶片弯曲位移理论公式为^（6）_：

    式中：E，E₀———压电片、弹性梁的弹性模量；d₃₁———压电常数；h₀———弹性梁厚；h———压电片厚；V———驱动电压。
    由式（1）可知，压电片越薄、长，驱动位移越大，但刚度越小；压电片越厚、短，驱动位移越小，但刚度越大。所以薄压电片厚电极，以及厚而长的压电片薄电极是理想选择。
    2、压力腔尺寸设计
    电/气转换装置中一个很重要的参数就是响应时间，而响应时间主要取决于压力腔中气体的动作时间，即充放气所需时间。压力腔中的气体充放过程可以看成是绝热过程，且节流孔处气体流速在超音速范围内。

    充气所需时间可用理论公式表达为^（7）_：

    放气所需时间为：

    式中：v———气容容积，m³；S———节流孔有效面积，m²；T_s———绝对温度，K；P₀———充气开始（t=0）时容器内的压力，P_a；P₂———充气结束时容器内的压力，P_a；P_s———气源压力；P_f———容器内气体开始放气（t=0）时容器内的压力，P_a。
    当P₀，P₂，P_s及T_s确定时，压力腔充气所需的时间与压力腔容积v、节流孔有效面积S的关系如图3所示。


    3、节流孔的设计
    由于空气是可压缩流体，在它们流经变截面管道而使压力降低的同时，必然要伴随气流容积的膨胀并导致气流速度的变化。它们之间的关系可用下式表示：

    式中：A———管道截面面积；M———马赫数，即气流速度与音速之比；ω———气流速度。
    由式（4）可知，要使气流得到超音速流动，管道截面形状必须先收缩后扩张。先收缩是为了使气流加速，当气流达到音速后，管道截面形状必须扩张，才能使气流不断加速得到超音速流动。因此，在设计压电微型阀的进/气口与排气口时，小孔形状采用台阶状，即从外向内，截面积变小，气流的流量与节流孔的面积S有关，S越大则响应时间越短，但同时流速也越大。流速过大会使压电陶瓷片受力变形，并会影响压电陶瓷片的动作从而影响整个压电微型阀的动作。所以，节流孔的直径大小必须合适。根据图3以及大量的预实验研究，对压电微型阀3个孔的尺寸选择如表1所示。


三、转换器控制原理及电路设计
    1、电/气转换器控制原理
    图4是电/气转换器控制原理图。粗箭头为气压信号传输路径，细箭头为电信号传送路径。控制过程为：4～20mA直流电流信号与压力传感器的反馈信号在控制电路中进行比较之后，输出驱动电压信号控制压电微型阀的动作以调节输出气压。当控制信号与传感器反馈信号达到平衡时，气动放大器输出稳定的压力信号。


    2、反馈电路的设计
    为使输出气压与现场输入控制值精确地一一对应并保持稳定，用精密固态压力传感器来感知转换器输出的压力信号，并反馈给调节环节控制。
    压力传感器的反馈放大电路采用AD693芯片。AD693是集信号放大、补偿、V/I转换等功能为一体的单片集成电路，AD693能够和电桥以及热电偶等多种传感器直接配合，处理0～100mV之间的各种模拟量信号，并且以4～20mA、0～20mA或12±8mA的电流形式输出到测控系统。在本反馈电路中，输入是0～1.4MPa的气压，输出是4～20mA直流电流。
    压力反馈电路如图5所示。     4.3 主控电路设计

    反馈电路输出的信号与给定的控制信号在主控制电路中进行比较，根据比较的结果来确定输出电压，进而控制进气阀及排气阀的开关。
    主控电路如图6所示。

    由于主控电路用于控制压电微型阀的动作，而压电微型阀又只有开、关两个状态，所以主控电路的输出可以看作是一个数字信号，只输出高、低电平。由于不是一个连续的模拟量，所以主控电路主要采用比例增益调节。
    反馈信号U_-与给定信号U₊通过运算放大器进行比较，如果U₊>U_-则该运放输出高电平，反之则输出低电平。该输出电压分别输入4个有基准值的运放进行比较，当给定信号远远高于反馈信号时，则控制进气阀的运放输出高电平，同时控制排气阀的运放输出低电平。此时，进气阀打开，排气阀关闭，系统处于进气状态，输出压力值增大。当给定信号略高于反馈信号时，由NE555芯片输出的脉冲信号作用在运放输出信号上，最后输出脉冲信号来控制进气阀，进气阀在短时间内开启关闭，以控制输出压力。排气阀的控制原理与进气阀原理相同。
四、整机性能测试
    为测试系统的整体性能，进行了整机输入—输出实验。输入为4～20mA直流电流，气压为0～140kPa。通过设置输入电流，观测精密压力表显示的系统输出气压值并加以记录，所得数据如表2所示。该电/气转换器输入控制电流4～20mA，输出气压能够满足实际需要的20～100kPa，基本满足设计要求。


五、结论
    随着微电子技术、控制理论和计算机技术的发展，电/气转换器正逐步向电子式以及智能式方向发展。同时，对电/气转换装置也提出了更高的要求。本文利用压电双晶片为执行器，设计的新结构电/气转换装置，突破了传统的喷嘴挡板原理，这种转换装置直接用电信号进行控制，具有性能稳定使用寿命长等突出优点，同时利用固态压力传感器，实现了电子电路闭环压力反馈控制回路。如果进一步提高压电执行器驱动位移，压电片和喷嘴的密封性，该转换器的性能和稳定性会进一步提高。

   参考资料
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