再议压电结构电气转换装置的结构设计与实验研究

    电气调节阀转换器或定位器是气动调节阀的主要附件，与气动调节阀配套使用，保证调节阀按设定的要求正确定位，是自控仪表和自控系统中进行信息和能量转换的核心元件。传统的电/气转换器主要基于机械力平衡原理，即以机械结构为主，因其具有结构复杂，调整麻烦，易磨损，耐环境差，寿命短等缺陷，已不能满足现代高精度的自动化生产要求。目前，国外生产的相关产品已突破传统的机械模式，而我国大多数变换器厂仍以老产品为主，研制新一代产品代替传统的机械结构势在必行。随着微机技术、通信技术和控制技术的发展，电气转换器、定位器正逐渐取代传统的机械结构向电子化、智能化方向发展，每一次技术的进步都和转换装置的革新有着紧密联系，因此，国内外各大仪表公司都把主要精力用在新结构转换装置的研发上。
一、压电结构开关阀结构及转换原理
    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机械变形，根据压电陶瓷的横、纵向效应，压电执行器主要有叠堆和双晶片两种结构。和叠堆结构相比，双晶片可获得较大位移，它通常有悬臂梁和复合圆盘两种结构。图1为双晶片悬臂梁结构，上片压电片极化方向与外电场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，造成整个悬臂梁向下弯曲。图2为压电复合圆盘结构，也是利用压电陶瓷的横向效应，与悬臂梁结构驱动原理相同。图3为压电复合圆盘在中间铜电极四周固支的情况下，加入E，整个复合圆盘向下弯曲变形示意图。本文将以双晶片悬臂梁和复合圆盘两种执行器为动力源进行实验研究。



    2、压电结构电/气转换装置工作原理
    图4为以压电复合圆盘结构为例研制的电/气转换装置结构图。压电双晶片在外电压作用下向下弯曲，作用在压电阀进气通孔上，此时两个排气通孔连通；当压电双晶片在反向电压作用下向上弯曲，把上面排气通孔压住，使进气通孔与下面排气通孔连通。由上可知，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，需加大阀门开度，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，气源损耗可忽略。


    图4基于压电复合圆盘结构的电/气转换装置示意图
    同样原理，图5为基于悬臂梁结构的电/气转换装置示意图，动作原理同上。


二、压电阀关键结构设计
    1、压电陶瓷片的选择
    压电片弯曲位移为

    式中E、E₀分别为压电片、弹性梁的弹性模量；d₃₁为压电常数；h₀为弹性梁厚度；h为压电片厚度；l为压电片长度；V为驱动电压。
    根据式（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。故薄压电片厚电极，及厚而长的压电片薄电极是理想选择。对于复合圆盘结构也具有相似的特性。
    2、压力腔尺寸设计
    电气转换装置中一个重要的参数是响应时间，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。压力腔中气体充放过程可看成绝热过程，且节流孔处气体流速在超音速范围内。充气所需时间^（9）

    式中u为气容容积；S为节流孔有效面积；T_s为气源绝对温度；P_s为气源压力；P₀为充气前容器内的压力；P₁为充气结束时容器内的压力。
    放气所需时间

    式中T_f为容器内气源绝对温度；P_f为容器放气前容器内的压力；P₂为放气后容器内气源压力。
    当P₀、P₁、PS及T_S确定时，压力腔中的t与u、S的关系如图6所示。


    3、节流孔的设计
    由于空气为可压缩流体，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ω的变化。它们之间的关系为

    式中A为管道截面面积；M为马赫数，即气流速度与音速之比。
    从式（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孔与排气孔时，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6及大量的预实验研究，对压电微型阀的3个孔的尺寸选择如表1所示。d₁和d₂分别表示进气和排气阶梯通孔直径。


三、实验研究
    1、实验过程
    实验系统如图7所示。为满足工业现场的要求，气源经空压机、滤清器、进气阀、稳压器，使进气压稳定在0.14MPa，气源为空气。空压机采用TIO₂型空气压缩机；直流电源采用TD1717三路稳压稳流电源。该微型压力阀性能实验原理图如图8所示。对于悬臂梁结构和复合圆盘结构连接原理相同。


    2、测试方法
    状态a：当压电片在外电压作用下向下弯曲，作用在进气孔上时，设为状态a。进气孔连接压缩空气，压力保持在0.14MPa，分别读取排气孔1处压力表与排气孔2处流量计的值。
    状态b：当压电片在外电压作用下向上弯曲，作用在排气孔2上时，设为状态b。此时，进气孔与排气孔1连通，读取排气孔1处压力表与排气孔2处流量计的值，并记录下排气孔1处压力从0上升到最大值时所需时间。
    状态c：给压电微型阀中的压电片加反向电压，此时压电片重新作用在进气孔上，设为状态c。排气孔1与排气孔2连通，读取排气孔1压力表与排气孔2流量计的值，并记录下排气孔1处压力从最大值下降到0时所需时间。
    对于压电悬臂梁结构微型阀所加驱动电压不低于40V，对于复合圆盘结构微型阀所加驱动电压不低于30V，测得实验数据如下表2、3所示。
   

    从实验结果可看出，同悬臂梁结构压电阀相比，复合圆盘结构压电阀密封性能更好。这是由于电压是各掺杂元素从A层向B层扩散的内在动力，而低熔点元素Pb和B所形成的液相则起促进各掺杂元素进行扩散传质的载流体作用。各元素的扩散形成了在从A层到B层纵向上的梯度分布，此分布主要位于图2中的C层。显而易见，两层逐层地同装于一模具中再一次性干压成型，加上各元素在A、B层间的扩散传质，尤其是Pb和B在烧结中形成的液相对陶瓷片的浸润粘结作用，从而保证了A、B两层在经历烧结过程后能够成为结合较牢且有足够机械强度的整体。
    梯度ZnO低压压敏陶瓷之所以较传统结构ZnO低压压敏陶瓷的电学性能理想，是因为在瓷坯整体几何尺寸相同的条件下，传统结构ZnO低压压敏陶瓷整体都是ZnO压敏层，而梯度ZnO低压压敏陶瓷的压敏层很薄，其具有更好的低压化电学性能。这种保证总体厚度而减薄压敏层厚度的压敏层和导电层叠加的片式梯度ZnO低压压敏陶瓷，由于块材体积没有减小，故也具有足够的能量耐受能力。另外，A层压敏层中的ZnO晶粒之所以较大且均匀，是因为A层配方中不但含有晶粒助长剂TiO₂和ZnO籽晶，还含有PbO和B₂O₃等低熔点组分，便于形成液相烧结和液相传质，从而利于ZnO主晶相均匀形核长大，这将有利于实现低压化。
三、结论
    1、梯度ZnO低压压敏陶瓷制备工艺所获产品克服了减薄瓷片厚度实现低压化导致机械强度劣化及能量耐受能力下降的缺陷，工艺流程简单，为ZnO压敏电阻器的低压化提供了新方案，值得进一步研究完善。
    2、采用材料梯度化设计思路，将传统电子陶瓷工艺的单层装料一次干压成型工序改进为逐层装料一次干压成型工序，沿着实现ZnO压敏陶瓷低压化的主要途径制备出电学性能理想的梯度ZnO低压压敏陶瓷。
    3、在逐层装料一次干压成型工序中，利用AdventurerTM型精密电子天平通过控制称重的方法可调节各层厚度，进而可调节最终陶瓷片的性能。

    参考资料
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