薄膜式电气转换器中弹性平膜片的失效机理与刚度试验研究

发布时间:2011-01-26  点击数:2619
    自动化生产中通过电/气转换器实现电信号到气信号的转换。80年代初,我国生产的机械式电/气转换器,由于结构复杂、调整麻烦、使用寿命短,已经不能适应现代综合自动化生产技术(如现场总线技术)的需要。目前,国外相关产品已经突破了传统的机械模式,而我国大多数变换器生产厂家仍以老产品为主,研制新一代产品以代替传统机械式结构势在必行。
    笔者设计的薄膜式电气转换器结构如图1所示。首次采用全闭环磁路包容喷嘴/挡板结构和小惯量复合膜片,响应速度快、变换效率高、变换路径短、抗冲击、屏蔽性好。实践中发现,弹性薄膜片失效是转换器失效的主要方式,本文针对这一问题进行了较深入研究。

 
一、膜片结构和制备工艺
    1、膜片结构
    弹性平膜片结构如图2所示。
    弹性元件由支承环、薄膜、挡板3部分组成。支承环和挡板采用同一种金属软磁合金材料弹性薄膜采用聚酞亚胺材料,具有机械强度高、化学性质稳定、弹性模量小、抗蠕变性能高等优点。电/气转换器中,弹性模片是唯一的可动元件,质量非常小(小于1g),惯性几乎可以忽略,这样就消除了安装方法对转换器性能的影响,并有效的提高了动态响应特性。

 
    2、膜片制备工艺流程
    膜片制备工艺流程框图如图3所示。

三、膜片失效机理分析
    膜片失效主要和膜片蠕变、环境温度及平膜圈表面状态等因素有关。主要表现为膜片刚度下降、零点漂移、弹性性能变差、膜片粘结四周开裂、翘曲等。
    1、应力对膜片性能的影响
    为提高膜片刚度需要施加预张力,在预张力作用下,膜片受拉伸,处于弹性变形状态,支撑环、挡板固化后,产生一定的拉应力,随着使用时间的推移,膜片会逐渐失去原有的物理性能,主要表现形式为膜片发生蠕变,使原有应力衰减,导致应力松弛。
    薄膜变形过程一般分成3段,初始阶段,在外载荷作用下,薄膜马上发生弹性变形,此时为普弹形变阶段,应变服从虎克定律。一段时间后,形变逐渐变慢,为高弹形变阶段,此阶段内形变与时间成指数关系(与高分子链段运动的粘度和高弹膜量有关),最后达到稳定状态段,去除外力,形变不能完全恢复。普弹形变和高弹形变是可逆的,稳定状态发生塑性变形是不可逆的。应该指出蠕变不仅是时间的函数,而且与初始应力关系很大,初始应力越大,蠕变越大。
    2、环境温度对膜片性能的影响
    材料弹性模量是刚度的量度,弹性模量的计算公式为:
   
    式中:
    E为温度t时的弹性模量;
    E0为温度t0时的弹性模量;
    β1为弹性模量的相对变化量。
    其中β1表示弹性模量随温度的变化情况,其含义是当温度变化1℃时,弹性膜量的相对变化量,一般为负值(dE/dt<0)。可见,温度的变化,会引起材料弹性模量的变化。当温度升高时,弹性模量E减小,弹性元件相对变得柔软,在同样外力作用下,膜片中心位移量就会发生变化,从而改变了膜片的初始性能。我国南北气候差异很大,各厂家工作环境也千差万别,使用环境温度的变化不仅会改变转换器有效量,甚至可使转换器失效。
    3、其它因素对膜片性能的影响
    A、预张力对膜片性能的影响
    预张力的大小直接决定膜片刚度和弹性性能,张力过大或过小,都很难调出灵敏的转换器。同时,室温对膜片刚度的影响不可忽视。因此,制作膜片时,必须根据室温的变化,适当调整预张力的大小。
    B、平膜圈对膜片性能的影响
    弹性平膜圈在转换器上是自由装配,不固定的,如果平膜圈不平整,易引起输出信号喘振。此外,平膜圈表面有油污、大颗粒杂质或粘贴剂不均匀,都会引起薄膜片四周翘曲,严重影响控制精度。
    C、挡板对膜片性能的影响
    挡板必须位于平膜片的中心,否则引起挡板周围薄膜片应力不对称,使挡板在电磁力作用下的位移发生倾斜,输出气压信号线性度变差,影响转换器性能的稳定性。尤其是正反两面的挡板应尽可能重合一致,因两侧挡板不对称的膜片很难调试。
四、膜片刚度试验研究
    一个制作良好的膜片随着周围环境温度及使用时间的延长而极易发生蠕变。膜片刚度变小,弹性性能变差,针对这一问题,我们对膜片进行了刚度试验研究。
    1、试验装置
    以膜片刚度作为试验指标,膜片硬心在外载荷作用下产生位移,电涡流计把位移信号转换成电信号。相同外力作用下,膜片刚度越大,位移越小,转换电压值越低,电压值能直接反应膜片刚度的大小,因此,试验中,用电压值表示膜片的刚度。位移膜片挠度用电涡流微位移传感器测量,因为电涡流传感器的测量精度与被测材料有关,所以在试验前,先用与硬心相同的材料对传感器进行标定,得到传感器灵敏度为0.758mV/um,非线性度为2%。为减小测量误差,采用加载和卸载平均值作为膜片刚度。
    2、试验过程
    弹性模量作为刚度的量度,既是时间的函数,又是温度的函数,两者之间存在等效性,Leaderman指出对高分子材料,增加温度具有和增加时间相同的效果,只要移动蠕变曲线,就能把在一个温度下得到的数据叠加到另一个温度下,因此,适宜的恒温加热可以短时间内使膜片刚度稳定。
    A、低温冷冻对膜片刚度的影响
    把初始刚度分别为140、110、73、57的膜片,放入-20℃恒温箱中,每隔24h,取出至室温,测量刚度如图4所示,由图可见,在低温作用下,膜片刚度基本不变。
    B、高温加热对膜片刚度的影响

    把初始刚度同为的60的3个膜片,分别放入100℃、80℃、60℃的恒温箱中加热,测量方法如上,试验结果如图5所示。由图可见,在高温初始阶段膜片刚度变化很大,一段时间以后,膜片刚度基本保持在一恒定值,这是因为膜片在预张力作用一「产生一定的内应力,随着加温时间的延长,平膜片发生蠕变,当蠕变到一定程度,内应力达到平衡,刚度也就趋于稳定。在刚度相同条件下,温度越高,膜片刚度变化越大

    C、不同初始刚度变化率不同
    分别把刚度为50、90、120、140的膜片放入恒温箱中加热,待膜片刚度停止变化时,测得实验数据如表1所示。
    表中:
    k。为膜片初始刚度;
    k为一段时间后,膜片刚度趋于稳定值;
    d为膜片刚度变化系数,指膜片刚度由初始值经一段时间到相对稳定值的变化率。
    由表1计算结果可见,膜片初始刚度越大电压值越低,膜片刚度变化系数越大。
    加热和振动后,膜片弹性性能稳定,易于调试,从而保证了整个电气转换器性能的可靠性和稳定。


    从以上的实验分析可以看出低温对膜片刚度影响不大,相反,对高温却很敏感。温度越高,影响也越大,同时,膜片初始刚度越大,刚度变化系数越大。
    膜片加热后,再经过交替通、断电压来吸附膜片中间挡板,使膜片振荡约1万次左右,检验膜片抗疲劳性,发现膜片刚度基本停止变化。根据大量的试验和调试发现,初始刚度在50-150之间的膜片经恒温加热和振动后,膜片弹性性能稳定,易于调试,从而保证了整个电/气转换器性能的可靠性和稳定。
五、结论
    本文在分析弹性平膜片失效机理的基础上,经过大量的试验研究,成功地解决了膜片失效这一难题,提高了转换装置的可靠性和稳定性。经过硬件控制电路的自动调控,已经成功应用到生产实际中,转换装置性能的稳定为大规模生产打下了基础。