薄膜电子式电-气转换器的建模与结构优化

摘要

在生产过程控制中，广泛采用易于传输处理的电信号作为控制信号。当采用本质安全的气动装置作为执行部件时，需要专门的电-气转换器将电信号转换成气压信号。随着微电子技术、控制理论和计算机技术的发展，电-气转换器逐步走向电子化、智能化。受鞍山科委及鞍山热工仪表集团的委托，从1997年开始这一课题的研究工作。课题得到国家科技部科技型中小企业创新基金资助(00C26222121163)。论文在综合分析国内外电-气转换器开发与生产现状的基础上，从当今电-气转换器发展方向着手，研制开发了一种薄膜电子式电-气转换器，制定总体方案，建立数学模型，进行转换模块的设计与结构参数优化。具体研究内容有： 论文针对传统机械式转换器存在的问题和当前过程控制系统的发展需要，制定薄膜电子式电-气转换器的总体方案，确定磁路气路一体化的转换模块物理结构。 应用经典弹性薄板理论、卡尔曼大挠度理论和薄膜理论，为转换模块中的环状平膜片分别建立了三种挠度-载荷数学模型，与试验结果比较，最终确定大挠度理论曲线为最优模型，为建立转换模块数学模型打下基础。 采用单物理量输入的方式，将转换过程分解为磁路转换特性和气路转换特性，实现转换器所受弹性场、磁场、气场耦合作用的分解。在得到平膜片挠度载荷特性的基础上，建立磁路转换与气路转换的数学模型，并进行试验验证。从而克服了因耦合关系复杂而采取经验试凑参数的盲目性，为结构参数的设计与优化提供理论依据。 进行弹性元件的结构设计，制定工艺流程；针对转换模块中薄膜挡板易出现失效和不易调试的问题，建立挡板上、下间隙最佳参数组合关系；分析弹性元件的失效机理，进行温度、疲劳试验研究，有效提高转换器的稳定性。 在转换模块数学模型的基础上，进行磁路、气路的结构设计和优化，并用试验对模型加以验证；完成整机性能测试。 该项研究成果已成功用于新一代M-EPI97系列薄膜电子式电-气转换器新品上，并于2003年11月通过国家科技部科技型中小企业创新基金验收。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

2薄膜电子式电-气转换器的总体方案

3薄膜电子式电-气转换器数学模型

3.1弹性力学基础

3.2弹性元件的挠曲变形

3.3磁路转换特性

3.4气路转换特性

3.5小结

4弹性元件的设计与分析

5磁路设计与结构优化

6气路设计与结构优化

7整机性能测试

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢