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压电式及薄膜式电—气转换器技术与应用研究

李东明  
【摘要】:电—气转换器是气动执行器的主要附件,在自控仪表和自控系统中实现信息转换和能量转换,是自动化生产过程中不可或缺的关键设备。随着微电子技术、控制理论和计算机技术的发展,电—气转换器正逐渐取代传统的机械式结构,向电子化、智能化方向发展,同时,对转换装置也提出了更高的要求。论文在成功研制薄膜电子式电—气转换器的基础上,通过对压电执行器理论的分析,设计了基于压电结构的新一代电—气转换装置,对其特性进行了理论与实验研究,并以微处理器为核心,建立了高效控制系统,为新型智能化电—气转换器、定位器的研制打下基础。 电—气转换装置,简称I/P转换元件,是电—气转换器核心元件。本文在薄膜式电—气转换装置结构设计和电路设计的基础上,针对I/P转换元件易失效和不易调试的问题进行了深入的研究。在薄膜片失效机理分析的基础上,进行了大量的温度、疲劳实验研究,有效提高了产品的稳定性和可靠性;通过对薄膜片变形的理论研究,得到了膜片上、下间隙最佳参数组合关系式,提高了产品调试成功率,并为下一步计算机虚拟调试打下了良好的基础。 论述了压电效应产生机理,对压电晶体物理性质之间的关系进行了分析,并根据热力学理论,给出了压电晶体的电、热、弹性性质的热力学方程。同时,较为系统的对压电陶瓷材料的极化机理、位移、机电耦合、介质损耗、温度等特性进行了分析和阐述,为压电双晶片弯曲位移公式的理论分析打下基础。 研究、分析了压电双晶片驱动位移数学模型,压电双晶片通常有悬臂梁和复合圆盘两种结构,通过对压电双晶片执行器的受力分析,推导出弹性梁双面对称粘贴和单面粘贴压电片驱动位移模型的计算公式,并通过计算机数值模拟,分析了弹性梁厚度及材料特性对驱动位移的影响;通过薄板小挠度弯曲近似解法中的能量法,并借鉴压电振子的振动解法,推导出复合圆盘驱动位移模型,找到了影响复合圆盘静态弯曲位移的主要因素;实验结果表明,数学模型和实验结果具有良好的一致性。数学模型的建立,丰富了压电微执行器的理论体系,为压电微执行器的设计、制造和实验研究提供理论依据和指导。 在前面薄膜式电—气转换装置研制的基础上,设计了基于双晶片悬臂梁和复合圆盘两种结构的压电式电—气转换装置,转换装置的典型特征是直接以压电执行器作为喷嘴挡板。对于双晶片悬臂梁结构转换装置,通过对双晶片弯曲位移基本理论公式、气流对挡板的作用以及转换装置气路特性的分析,得到背压室气压随外加电压变化的理论关系式;通过对实验数据的线性回归,得到复合圆盘驱动位移拟合曲线,运用同样的分析方法,得到了复合圆盘结构背压室气压随外电压变化的理论公式,实验证明了推导的两个数学模型的正确性。并通过大量的实验研究,对两种结构转换装置的性能进行了对比分析。 压电式转换装置突出优点是结构简单,降低了加工工艺的要求,成本低,性能稳定、响应快。在此基础上,研制了以微处理器为核心的压电智能式电—气转换器控制系统,包括压电驱动开关电路、调节控制电路等,由于采用微处理器控制方法灵活,原来必须在机械结构或模拟电路中实现的功能都可以用软件来实现,人机交互操作十分简便、快捷。同时,具有自适应、自诊断功能,为新一代智能化、数字化、信息化的电—气转换器、定位器的研制以及适应工业现场总线技术打下良好的基础。


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