（机械制造及其自动化专业论文）压电式及薄膜式电—气转换器技术与应用研究.pdf

摘要 电一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，电一气转换器f 逐渐取代传统的机械式结构，旧电子化、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一气转换 器的基础上，通过对压电执 1 ：器理论的分析，没计了蜒于压电结构的新一代电一气转换 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， 为新型智能化电一气转换器、定位器的研- , t i 0 打下基础。 电一气转换装置，简称i p 转换元件。是电一气转换器核心元件。本文在薄膜式电 一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仃器的受力分析，推导出弹性梁双面对称粘贴和单面粘 贴仃三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利料 特性对驱动位移的影响；通过薄板小挠度弯曲近t i f t 4 t t 去中的能量法，并借鉴压电振子的 振动解法，推导出复合圆盘马j ；! ! 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。 在前面薄膜式电一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一气转换装置。转换装置的典型特征是直接以压电执行器作为喷嘴 挡板。对于双品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j , l - d w 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沦公式，实验证明了推导的两个 数学模型的丁f 确性。并通过大量的实验研究，对两种结构转换装背的性能进行了对比分 析。 压电式转换装置突m 优点是结构简单，降低了加i i 2 2 1 _ 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一心的压电智能式电一气转换器控制系统， 包括压电驱动开关电路、调节控制电路等山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t h - , 。l e , 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、自渗断功能，为新一代智能化、数字化、信息化的电一气转换 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。 关键词：电一气转换器；平膜片；压电双晶片；悬臂梁；压电复合圆盘 i i a b s t r a c t t h ee l e c t r o n p n e u m a t i ci n v e r t o ri st h em a i na c c e s s o r yo ft h ep n e u m a t i ca c t u a t o ra n di s t h ei n d i s p e n s a b l ek e ye q u i p m e n ti nt h ea u t o m a t i ci n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i t su s e dt oa c h i e v e f h em f o r m a t i o nc o n v e r s i o na n dt h ee n e r g yc o n v e r s i o ni nt h ea u t o m a t i cc o n t r o li n s t r u m e n t s a n ds y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h em i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ec o n t r 0 1t h e o r ya n d t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ee l e c t r o n - p n e u m a t i ci n v e r t o ri st e n d i n gt ot h ee l e c t r o n i co r i n t e l l i g e n tp r o d u c t i o na n dt a k i n gp l a c eo ft h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r e a tt h es a m e t i m e t h eh i g h e rr e q u i r e m e n ti sa d v a n c e dt oe l e c t r o n - p n e u m a t i ci n v e r t o rd e v i c e b a s eo nt h e s u c c e s s f u lr e s e a r c h i n go ft h ee p id e v i c ea n da n a l y z i n gt h et h e o r yo fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r , t h ep a d e rd e s i g nan e we l e c t r o n p n e u m a t i ci n v e r t o rw i t hp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r f u r t h e r m o r e ， s t u d yo nt h es t a t i cc h a r a c t e rt h e o r ya n de x p e r i m e n ta n de s t a b l i s hah i g he m c i e n tc o n t r 0 1 s y s t e mw h i c hk e r n e li sm i c r o p r o c e s s o r i tp r o v i d e st h eb a s i so ft h e o r yt op r e p a r et h en e wa n d i n t e l l i g e n te l e c t r o n p n e u m a t i ci n v e r t o ro re l e c t r o n - p n e u m a t i cp o s i t i o n o ri nt h ef u t u r e e p id e v i c ei si pc o n v e t r t o ru n i tw h i c hi st h ek e r n e lo fe l e c t r i c p n e u m a t i ci n v e r t o r t h e p a p e rh a sr e s e a r c h e dt h o r o u g h l yt h ep r o b l e mo fm e c h a n i s mo ft h eu pc o n v e t r t o ru n i tl o s i n g e f f i c i e n c ya n db e i n gt r o u b l et od e b u g ，w h i c hi sb a s e do nt h ed e s i g no fe p is t r u c t u r ea n d c o n t r o lc i r c u i t al o to fe x p e r i m e n t so nt h et e m p e r a t u r ea n dt h ef a t i g u ea r ed o n et om a k et h e s t a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t yb e t t e r n l er e l a t i o nb e t w e e nu pa n dd o w nf l a td i a p h r a g m si s a c h i e v e dt h r o u g ht h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fb e n d i n gd i s p l a c e m e n to ft h i nd i a p h r a g m s ，w h i c h r a i s e e f f i c i e n c y t os u c c e e di nd e b u g g i n ga n dp r o v i d e sf o u n d a t i o n o fc o m p u t e rv i r t u a l d e b u g g i n g t h ep i e z o e l e c t r i c i t ym e c h a n i s mi se x p l i c a t e di nt h ep a p e r a l s ot h er e l a t i o n s h i pb e h v e e n t h ep h y s i c a le f f e c t so ft h ep i e z o e l e c t r i cc r y s t a l si sa n a l y z e d ，a n dt h et h e r m o d y n a m i c se q u a t i o n , w h i c hi sr e l a t e dt ot h ep i e z o e l e c t r i cc r y s t a lp e r f o r m a n c e so ft h ee l e c t r i c ，t h c r m a la n de l a s t i c p e r f o r m a n c e i s g i v e na c c o r d i n g t ot h et h e r m o d y n a m i c st h e o r y i nt h em e a n t i m e ，t h e c h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e da n dd i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l ya b o u tt h ep o l a r i z a t i o nm e c h a n i s m ，t h e d i s p l a c e m e n t ，t h ee l e c t r o - m e c h a n i c a lc o u p l i n g ，t h ed i e l e c t r i cc o n s u m p t i o n ，t h et e m p e r a t u r e a n ds oo no ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c t h e s ea r et h eb a s i co ft h ea n a l y s i sa b o u tt h ef l e x u r e d i s p l a c e m e n to f t h ep i e z o e l e c t r i cb i m o r p hc r y s t a l t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp i e z o b i m o r p hd r i v i n gd i s p l a c e m e n ti ss t u d i e da n da n a l y z e d r n l ep i e z o e l e c t r i cb i m o r o hc r y s t a lu s u a l l yh a st w os t r u c t u r e s ：c a n t i l e v e rb e a ms t r u c t u r ea n d c o m p o u n dd i s c c o n s i d e r i n gp i e z o b i m o r p ha c t u a t o r so fd o u b l e s i d e da n ds i n g l e - s i d e d ，t h e f o r m u l a ro i ld i s p l a c e m e n tm o d e li sd e r i v e db yf o r c i n ga n a l y s i s i n f l u n c eo fe l a s t i cb e a m s t h i c k n e s sa n dm a t e r i a lc h a r a c t e r sa r ed i s c u s s e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nc o m p u t e r a c c o r d i n gt o t h ee n e r g ym e t h o r di nt h ea p p r o x i m a t ea n a l y s i sm e t h o da b o u tt h el i t t l e f l e x i b i l i t yb e n d i n go ft h et h i ns h e l la n dd r a w i n go nt h ev i b r a t i o nm e t h o r dt ot h ep i e z o e l e c t r i c v i b r a t o r , ad r i v i n gd i s p l a c e m e n tm o d e lo ft h ec o m p o u n dd i s c i sd e d u c e da n dt h em a i n i n f l u e n c et ot h ec o m p o u n dd i s cs t a t i cb e n d i n gd i s p l a c e m e n ti sg i v e n t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t sp r o v e de x a c t i t u d e so ft h ef o r m u l a s t h em o d e le n r i c h e st h et h e o r e t i c a ls y s t e mo f t h ep i e z o e l e c t r i cm i c r o - a c t u a t o r b a s i n go nt h ed e v e l o p i n go fm e m b r a n ee p i ，t h ea u t h o rd e s i g n e st w on e ws t r u c t u r e s ， i l i w h i c ha r et h ep i e z o b i m o r p hc a n t i l e v e rb e a ma n dt h ec o m p o u n dd i s c b o t ho ft h e md i r e c t l y u s et h ep i e z o e l e c t r i ca c t u a t o ra st h en o z z l e f l a p p e la st ot h ep i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rb e a m i n v e r t i n ge q u i p m e n t ，b yt h ea n a l y s i so f t h e o r e t i c a le q u a t i o na b o u tt h eb i m o r p hc r y s t a lb e n d i n g d i s p l a c e m e n t t 1 1 ea i r f l o w se r i e c tt ot h eb o a r da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ea i r f l o wr o u t ei nt h e i n v e r t i n gi n s t r u m e n t at h e o r e t i c a le q u a t i o ni so b t a i n e da b o u tt h ea t m o s p h e r i cp r e s s u r ei nt h e b a c kp r e s s u r er o o mg o i n ga l o n gw i t ht h ee x t e r n a lv o l t a g e t h ef i t t i n gc u r v eo ft h ec o m p o u n d d i s cd r i v i n gd i s p l a c e m e n ti so b t a i n e db yt h e 1 i n e a rr e g r e s s i o no ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a a n d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s 。t h et h e o r e t i c a le q u m i o ni sa l s oo b t a i n e da b o u tt h ec o m p o u n dd i s c s t r u c t u r e s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n tp r o v et h a tt h et w om o d e l sa r ec o r r e c t ，m e a n w h i l e ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h e s et w oi n v e r t i n gi n s t r u m e n t sa r ec o m p a r e db yl o t so fe x p e r i m e n t a l r e s e a r c h t h ep r i m a r ya d v a n t a g e so ft h ep i e z o e l e c t r i ci n v e r t i n gi n s t r u m e n ta r es i m p l es t r u c t u r e ， l o wc o s t ，s t a b l ep e r f o r m a n c e ，f a s tr e s p o n s ea n dt h ef e w e tr e q u e s to ft h et e c h n o l o g y , b a s e do n t h e s ea d v a n t a g e s ，t h ep e p ic o n t r o l l i n gs y s t e mu s i n gm i c r o p r o c e s s o ra si t sc o r ei sd e v e l o p e d ， i n c l u d i n gt h ep i e z o e l e c t r i cd r i v i n gs w i t c hc i r c u i t ，t h ea d j u s t i n gc o n t r o lc i r c u i te t c a l lt h e f u n c t i o n sc a nb eg a i n e db yt h es o f t w a r en o w , w h i c hc a no n l yb eg o t t e ni nt h em e c h a n i c a l s t r u c t u r eo ri nt h ev i r t u ec i r c u i tp r e v i o u s l y t h em a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o ni sv e r yc o n v e n i e n t a n df a s t , a n di th a sf i m c t i o no fs e l f - a d a p t i n ga n ds e l f - d i a g n o s i n g i tp r o v i d e st h es o l i db a s i st o p r e p a r et h en e wi n v e r t o ro fi n t e l l i g e n c e ，d i g i t ，i n f o r m a t i o na n da d a p t i n gt h ei n d u s t r i a lf i e l d b u st e c h n o l o g y k e yw o r d s ：e l e c t r o - p n e u m a t i ci n v e r t o r ；f i a td i a p h r a g m ；p i e z a b i m o r p h ；c a n t i l e v e rb e a m ； p i e z o e l e c t r i cc o m p o u n dd i s c 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 气动执行器在自动化生产中的应用 自动化技术是本世纪以来发展迅速和影响极大的科学技术之一 1 - 2 1 ，任何一个完整的 自动化系统，无论是简单的还是复杂的，都包括信息采集、信息处理和信息执行三个部 分。信息执行完全由执行器来承担，可见，执行器在自动化系统中是三大支柱之一，起 着三足鼎立的作用uj 。 执行器在自动调节系统中接受来自调节单元的控制信号，一般情况下，执行器安装 在工艺管线上，直接与介质接触，使用条件比较恶劣，常常在高温、高压、深度冷冻、 强腐蚀、易燃、易爆、易渗透、易结晶、高粘度甚至有毒等状况下工作。如果执行器运 行不当，往往会给生产过程带来困难，在许多场合下，会导致自动调节系统的调节质量 下降、调节失灵，甚至因介质的易燃、易爆、有毒而造成严重的生产事故。因此，执行 器是自动调节系统中一个重要的、必不可少的组成部分，是调节控制系统的薄弱环节， 积极开展执行器技术的研究和开发势在必行 4 - 5 。 现代执行器根据工作能源不同，分为三大类【6 。7 j ：气动执行器、电动执行器、液压 执行器，三种传动方式的特点详见表1 1 。电动调节阀一般采用电动机控制，只适用于 电动调节器，在工作过程中易产生电火花，不能用于防爆场合：液动凋节阀推力大，能 用于防爆场合，但较笨重；与电动、液动相比，气动执行器利用压缩空气作动力，具有 结构简单、输出力大、动作可靠、性能稳定、维护方便、价格便宜、本质安全、防火防 爆等优点而广泛应用于石油、化工、冶金、电力、造纸等工业部门。目前，气动执行器 的使用数量约占执行器总数的9 0 ，气动技术作为自动化与省力化的手段和方法，已经 成为实现生产过程自动化不可缺少的重要手段。 表1 1 三种传动方式的特点 t a b l e1 - lc h a r a c t e r so f t h r e et y p e st r a n s f e rm o t i o n 气动执行器的缺点是滞后大，气压信号传递速度慢，传输距离短( 传送距离限制在 1 5 0 m 以内) ，管线安装不便。相比之下，电信号在传输、放大、变换、测量都比气压信 号方便得多，特别是电动仪表容易和电子巡回检测装置和工业控制计算机配合使用。因 此，往往采用电一气复合调节系统，即在信号采集、数据处理、调节控制、通信联络等 大连理下人学博。l 学位论文 方面大量使用电动装置，而执行部件仍采用气动装置。这就要求在自动化装置中必须进 行电信号与气压信号之间的转换。电一气阀门转换器或定位器就是完成电信号到气信号 之间转换的仪表，是自动化生产中不可或缺的关键设备，图1 - 1 为电动或气动仪表采用 不同的执行器互相转换示意图鹏1 。 图1 1 电动与气动仪表互相转换示意 f i g 1 1s c h e m a t i cv i e wo f c o n v e r t i o nb e t w e e ne l e c t r i ci n s t r u m e n t sa n dp n e u m a t i c i n s t r u m e n t s 1 1 2 电一气转换器、定位器国内外技术现状 1 1 2 1 转换器、定位器定义及工作原理 如上所述，电一气阀门转换器或定位器都是气动调节阀的主要附件，是自控仪表和 自控系统中进行信息转换和能量转换的核心元件，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。带气动定位器的自动控制系统如图1 - 2 所示，电一气转换器是 把电信号转换成气压信号，通过气动定位器或直接与执行器相连接。电一气阀门定位器 是把电信号直接转换成执行器位移信号，其实质是电一气转换器与气动定位器的组合仪 表。图中i 是被调量的设定值，电一气转换器把输出气压反馈值与调节器初始设定值进 行比较，根据比较后的偏差值，调整气压输出，保证执行器准确定位。转换器也可以直 电一气阀门定位器 图1 - 2 电一气阀门定位器自动调节系统框图 f i g 1 - 2 c o n t r o ls y s t e mf r a m e w o r ko f e l e c t r o p n e u m a t i cv a v l ep o s i t i o n e r 重一 、书i一一一 孽一 第一章绪论 接与执行器相连，由于转换器反馈信息是输出气压值，不是阀门实际位移值，单独使用 时，当阀杆摩擦力等不平衡力发生变化，就会影响阀门正确定位。定位器反馈的是阀门 实际位置信号，对执彳亍器控制更加精确0 1 。 无论是电一气转换器还是定位器，转换装置都是相同的，其性能的稳定性直接决定 了转换器或定位器性能好坏，是转换器或定位器的核心技术。转换装置简称为i p 转换 单元，按结构形式可分为：线圈喷嘴挡板式、线圈滑阀式和压电阀式三种结构。线圈滑 阀式主要在电磁阀中采用，压电阀式的l i p 转换单元最早出现在二十世纪9 0 年代西门子 公司推出的s p ia r tp s 智能阀门定位器中，因其具有高抗振动性、高可靠性、低功耗、 低耗气等特点，非常适合于智能阀门定位器对i p 转换单元的要求。线圈喷嘴挡板式i p 转换单元，由于结构简单、制造方便、成本低，因此，电一气转换器、定位器转换元件 绝大多数仍采用这种结构方式。 喷嘴挡板机构转换装置的工作原理如图1 3 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p 。恒定) 经恒节流孔进入背压室，当挡 板远离喷嘴时，空气经喷嘴排出。由于背压室内径远远大于恒节流孔直径，所以背压室 中的剩余压力很少。当挡板盖着喷嘴时，空气不能排出，剩余压力p 1 达到最大值。若 挡板停留在某个位置时，背压室就有一个对应的压力值p 。所以喷嘴挡板机构的作用是： f 1 1 把挡板的位移转换成压力的变化。 ( 2 ) 把挡板的微小位移，变成较大的压力变化，有很高的放大倍数。 图1 - 3 喷嘴挡板结构 f i g 1 - 3n o z z l e f l a p p e rs t r u c t u r e 1 1 2 2 转换器、定位器国内外技术发展现状 随着大规模集成电路制造技术、控制理论和计算机技术的发展，尤其是微处理器芯 片在仪器仪表中的应用，为转换器、定位器的发展创造了良好的条件。国外各大仪表公 司在传统技术基础上，都在积极进行电子化、智能化的产品开发，代表了当今转换器、 定位器技术的发展方向。我国从事自主开发转换器和定位器的研究、生产已经有几十年， 如具有自主知识产权的d d z i i i 系列电一气转换器、定位器。但是，从事新产品的开发 能力不强，尤其是电予化、智能化研究刚刚起步。纵观国内外技术发展现状，根据工作 原理的不同，转换器、定位器主要有机械式、电子式以及智能式三种类别j 。 1 机械式 传统电一气转换器或定位器是基于机械力平衡原理，以定位器为例，工作原理如图 1 - 4 所示 2 q 3 l 。当线圈里输入电流时。铁芯被磁化，在永久磁场作用下，铁心以0 为轴 转动。杠杆1 上的平衡弹簧用来调整挡板与喷嘴的初始间距，保证线圈内无电流时，挡 ，。r i 卜 6 查堡些王苎兰堡：! 兰篁堡苎 板与喷嘴问隔处于最佳距离。当输入电流使杠杆2 反时针转动微小的角度，挡板靠近喷 嘴，背压室气压升高，推动阀卡t 下移，带动偏心凸轮反时针旋转，把滚予向左推，经过 杠杆2 上的弹簧把杠杆2 向左拉，挡板远离喷嘴，则背压室压力降低，这就是负反馈作 用，保证调节阀开度与输入信号成比例关系，也就是定位作用。 i 平衡弹簧：2 磁铁；3 杠杆1 ；4 恒节流口5 气动放大器；6 唢嘴； 7 挡板，8 札杆2 ；9 偏心凸轮； 1 0 ，滚轮，1 1 调节阎；1 2 3 1 板 图1 - 4 机械式电一气阀门定位器原理图 f i 9 1 - 4s c h e m a lo f e l e c t r o p n e u m a t i cv a v t ep o s i t i o n e rw i t hm e c h a n i c a ls t r u c t u r e 图l 一5 是美国s a m s o n 公司根据机械力平衡原理生产的电一气转换装置原理图，用 于电一气阀门转换器：图卜6 是日本山武- 霍尼韦尔公司生产的h e p 电一气阀门定位器 工作原理图，控制原理与上述基本相同；我国上海长成自控设备有限公司生产的q z 【卜 2 0 0 0 型电一气转换器、以及2 0 0 0 型系列电一气阀门定位器；常州市石化仪表厂生产的 6 7 气渊 2 1 挡板；2 喷嘴；3 平衡梁，4 弹簧，5 机械调零；6 柱塞线嗍；7 永久磁铁 幽1 5 机械力平衡原理电一气转换装置图 f i 9 1 5s t r u c t u r eo f e l e c t r o - p n e u m a t i ci n v e r t e rd e v i c ew i t hp r i n c i p l eo f f o r c e b a l a n 。 第一章绪论 输入 信号 喷嘴 输 出 幽1 6h e p 定位器原理框图 f i g l - 6s c h e m a lo f h e pp o s i t i o n e r q e d 2 0 0 0 电一气转换器、e p 3 0 0 0 电一气阀门定位器、i p d 2 0 0 0 电一气阀门定位器等都 是基于上述机械力平衡原理。 七十年代至八十年代初，传统的机械式转换器或定位器在我国使用范围约占8 5 9 0 。由于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，目前在 我国传统企业里仍在使用。机械力平衡结构缺点是：机械部件易磨损，抗振动冲击性差， 使用寿命短，气压信号传递速度慢，传输距离短，存在较大的惯性和弹性滞后，动态性 能差，调节环节多，机构繁杂，故障率高，维护困难，手动调整费时且需要中断控制回 路等等【1 4 15 1 。 2 电子式 电子式电一气阀门定位器在八十年代初开始走向市场，近几年技术手段不断更新。 图卜7 是日本h o n e y w e l l 公司生产的e p 2 3 0 0 2 4 0 0 电子式电一气阀门定位器工作原理图， 线性电位器把阀杆位置转换成电信号和初始设定值比较，经过p i 控制器调整和信号放 大输出至压电微型阀，控制输出气压，经气动放大器输出。当输入信号与反馈信号平衡 时，气动放大器输出稳定的压力信号，保证调节阀精确定位。由此可见，控制原理完全 不同于过去的机械力平衡原理，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，消除了力传递和转换过程中一些问题，提高了抗干扰能力。 图1 7 电子式电一气阀门定位器原理图 f i g l 7s c h e m a lo fe l e c t r o - p n e u m a t i cv a v l ep o s i t i o n e rw i t he l e c t r i cc o n t r o l 大连理t 人学博 。学位论文 其中电一气转换元件采用压电微型阀，压电阀具有动作速度快、质量小、寿命长等突出 优点，在实现气路平衡的同时，完成电信号到气信号的精确转换。 美国r o s e m o u n t 公司开发出了通用的电子化的电一气转换器t y p e 8 4 6 ，图卜8 是其 原理框图。电子线路接收标准的4 2 0 m a 电流，固态压力传感器实时测量气动放大器 ( b o o s t e rs t a g e ) 的输出气压，将气压信号转换为电流信号反馈给控制电路。能够实时 地进行校正和补偿，具有良好的动态特性。t y p e 8 4 6 的电一气转换装置结构如图卜9 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，则气压升高，这样接收喷 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，电一气转换器整体 是一个闭环电子控制系统。与机械式转换器采用的杠杆、弹簧、波纹管所组成的反馈控 制相比，电子反馈控制不存在气压信号的延迟滞后现象，响应速度快。此外，因为减少 了机械零部件，抗振性也比较好。由于转换装罱在结构上是模块化的，作为一个功能模 块，很容易移植到其它产品中 1 6 1 。 此外。英国的i v c op r o c e s sv a l v ei n c 公司开发的能进行简单的p i d 运算的电一 气转换器k a o p c 0 7 1 ；日本h o n e y w e l l 公司生产的e p 2 3 0 0 2 4 0 0 系列电一气转换器、定 位器；美国a m s o n 公司生产的6 1 1 6 型电一气转换器、4 7 6 3 电一气定位器，都是电子式 转换器、定位器的代表。 i n n u tcurr e n t 4t o2 0m a d c u 1 ie l e c t r o n i cc ir cu i t l ma g ne t i cac t u a t or i s0 l i d s t a t e l pr c s s ur e l p i l o t s t a g el sensor l bo os t er s t a g e ou t p u tpr ess ur e 2 0t ol0 0kpa 图1 - 8t y p e 8 4 6 原理圈 f i g l - 8s c h e m a lo f t y p e 8 4 6 幽1 - 9t y p e 8 4 6 电一气转换装置 f i g 1 - 9e l e c t r o - p n e u m a t i ci n v e r t e rd e v i c eo f t y p e 8 4 6 电子式转换器的出现，首次实现转换器的微小化，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p i ( d ) 控制，但转换装置却千差力别，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。t y p e 8 4 6 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。 3 智能式 最早是美国尤他州的v a l t e k 公司提出智能管理器i v m ( i n t e l l i g e n tv a l v em a n a g e r ) 6 第章绪论 的全新概念【l ，现在定位器自诊断和通信等功能在不断加强，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，已经成为各国仪器仪表公司研究、 丌发的热点。 图1 1 0 是德国s i e m e n s 公司生产的智能阀门定位器原理图。微处理器对设定值与实 际阀位的反馈值进行比较，如果检测到偏差很大，就输出一个连续信号，快速响应；如 果偏差较小，则输出数字脉冲信号，以精确定位。由图还可以看出，微处理器的使用扩 展了定位器许多功能。报警模块输出高低报警值；l c d 显示及按钮使操作更容易、方便、 直观；h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e ) 模块的使用，可以借助于手持通 讯器，个人电脑或系统控制台方便的获取现场信息；阀位反馈模块输出执行器位置信号 ( 4 2 0 m a ) 。定位器在初始化时，可以根据输入参数，自动确定执行器的零点、最大行 程、作用方向和定向速度，大大节省了投运时间。工作时，可以根据阀门或执行器的机 械性能变化，自动修改控制参数，补偿阀门老化、磨损等机械问题 i 9 】。 j 报警模块 微 h a r t 通信模块 2 d 显示及 处 键控制面板 理 器 阀位反馈模块 4 2 0 m a 。 瓜i i - 1 控制电路h 。削气源蒯 眦蝴卜牟 图1 1 0 智能型屯一气阀门定位器原理 f i g 1 - 1 0s c h e m a lo f i n t e l l i g e n te l e c t r o p n e u m a t i cv a v l ep o s i t i o n e r 该定位器中转换装置第一次采用压电结构微型阀，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。动作原理如图1 - 1 1 所示，图中( a ) 是压电 阀在初始状态下示意图，即不通电时，功能陶瓷片作用在喷嘴口1 上，这时，喷嘴口2 与喷嘴口3 与先导腔连通，形成为一个整体。当压电阀连通电源时，如图中( b ) 所示，功 能陶瓷片变形向上翘，把喷嘴1 33 压住使喷嘴口2 与喷嘴1 2 11 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，需要加大阀门丌度，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 传统定位器相比较，气源损耗几乎可以忽略不计。 现在，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。 r 本y a m a t a k e 公司生产的s v p 3 0 0 智能定位器，美国f i s h e r 一r 0 s e m o u n t 公司 生产的d v c 5 0 0 0 智能阀门定位器，都是以微处理器为核心的智能化产品口。图l - 1 2 是 d v c 5 0 0 0 智能阀门定位器中电一气转换装置照片，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 大连理t 大学博一卜学位论史 2 ( a ) l 厂 叫二二) - 一 3 酐咱 2 l ( b ) 图1 。1 1 压电阀结构 ( a ) 压电阀初始状态 ( b ) 压电阀通电状态 f i g 1 1 1p i e z o e l e c t r i cv a v l es t r u c t u r e ( a ) l n i t i a ls t a t e ( b ) c o n d u c t i n gs t a t e 图i 1 28 d v c 5 0 0 0 定位 中b 一气转换装置 f i g 1 - 1 2e l e c t r o - p n e u m a t i ci n v e r t e rd e v i c eo f 8 d v c 5 0 0 0p o s i t i o n e r 8 锥一帝鲜 论 可前后移动，和传统的喷嘴挡板结构相比较，气压初始值调整更加方便灵活。电一气转 换性能稳定结构制作精良，体现了精美的设计思想。文献 2 j 中利用自行设计f 平面 弹簧结构，成功应用在电一气转换阀门上，拓展了我们的思路。 近几年，智能产品的丌发也引起了我国各科研单位和仪表企业的重视，山于起步较晚，