压电式电-气转换器结构设计与实验研究

摘要

电-气信号转换仪表是一种完成电信号到气压信号之间转换的装置,它是自动化系统中不可或缺的信号转换关键设备.电气转换器的发展经历了机械式、电子式以及智能式三个阶段.综合分析国内外相关领域的研究现状,电子化和智能化将是电-气转换器领域发展的必然趋势.本课题是辽宁省创新资金资助项目,也是国家科技部科技型中小企业创新基金和国家自然科学基金资助项目的延伸.本课题完成了压电式电-气转换器的性能优化,论述了压电式电-气转换器的实现方法、参数组合及关键技术,并进行了相关的理论与实验研究.压电式电-气转换器的核心元件是电-气转换装置(转换阀),这里使用的是压电复合圆盘,对它的要求是反应灵敏、性能稳定.本文在转换装置初步设计的基础上,通过薄板小挠度弯曲近似解法中的能量法以及板的瑞利-里茨法,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;最后通过实验研究,证明了所建压电双晶片弯曲位移模型的正确性.利用正交实验得到了压电复合圆盘三个主要参数(压电陶瓷的直径、厚度以及中间铜电极的厚度)的最佳组合,大大降低了驱动电压,并且改善了压电式电-气转换器的各项性能参数.并在此过程中,优化了实验方法以及压电式电-气转换器的实现方法,从理论以及实验两方面得到了气压-电压以及位移-电压的关系.在静态参数优化的基础上,进行了压电式电-气转换器动态性能的优化.利用ANSYS有限元分析以及实验找到了三个主要参数对于压电式电-气转换器固有频率的影响趋势,得到了三个参数的最佳组合.通过综合考虑动态以及静态特性,得到了使压电式电-气转换器性能最佳的参数组合,大大优化了其性能,并为压电式电-气转换器的产品化打下了坚实的基础.

目录

文摘

英文文摘

独创性说明

1绪论

1.1电-气转换器综述

1.1.1气动执行器在自动化生产中的地位

1.1.2电-气转换器、定位器在国内外的技术现状

1.1.3电-气转换器、定位器发展趋势及策略

1.2压电式电-气转换器的研究及其应用

1.2.1压电陶瓷材料研究现状

1.2.2压电执行器研究现状

1.2.3压电双晶片的研究进程

1.2.4压电式电-气转换器相关发展现状

1.3本课题的研究意义及主要研究内容

1.3.1本课题的来源及研究意义

1.3.2论文的主要研究内容

2压电物理基础

2.1压电效应与压电方程

2.1.1压电效应

2.1.2压电方程

2.2压电陶瓷材料

2.2.1压电陶瓷极化机理

2.2.2压电陶瓷的压电效应

2.2.3压电陶瓷的参数矩阵

2.2.4 PZT的性能特点

2.3压电陶瓷双晶片结构及变形机理

2.4本章小结

3薄板弯曲理论在压电式电气转换器中的应用分析及实验研究

3.1弹性薄板理论

3.1.1弹性薄板的基本假定

3.1.2里茨法和瑞利商数

3.2压电薄板驱动膜片驱动位移数学模型研究

3.2.1压电复合圆盘结构

3.2.2压电复合圆盘驱动位移数学模型

3.2.3压电双晶片静态特性的实验结果

3.3本章小结

4压电式电-气转换器静态性能优化及其ANSYS分析

4.1压电式电-气转换装置结构设计

4.1.1压电式电-气转换装置基本结构

4.1.2喷嘴-挡板结构形式选择

4.1.3气路结构参数设计

4.1.4转换倍率与挡板位移的确定

4.2压电式电-气转换器测量原理优化

4.3双晶片复合圆盘结构电-气转换装置静特性的实验研究

4.3.1实验系统

4.3.2正交实验参数选择与实验分析

4.3.3正交表的方差分析

4.3.4最佳参数组合压电式电-气转换器性能测试

4.3.5各参数组合对应压电复合圆盘位移分析

4.4双晶片复合圆盘结构电-气转换装置静特性的ANSYS理论分析

4.4.1 ANSYS有限元分析软件应用基础

4.4.2压电式电-气转换器的计算机模拟

4.5本章小结

5压电式电-气转换器动态特性研究

5.1驱动膜片ANSYS模态分析

5.2压电式电-气转换器动态特性实验研究

5.2.1压电式电-气转换器动态特性实验装置

5.2.2压电式电-气转换器动态特性实验分析

5.3本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间学术论文发表情况

附录

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