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談談壓電陶瓷在振動式物位開關中的螺栓預緊

2015-03-21

  壓電陶瓷廣泛應用于振動式物位開關中,壓電陶瓷組件往往是其核心部件,因為其探頭振動的產生和檢測就是由壓電陶瓷組件來完成的。壓電組件由驅動部分和檢測部分構成(如圖1),由其完成振動式料位開關探頭振動的驅動和檢測。組件的驅動部分通常由幾片壓電陶瓷疊堆在一起,采取機械上串聯、電學上并聯的結構形式。這種結構可以使采用很薄的壓電陶瓷片,以降低驅動電壓,并增加驅動產生的位移,在螺栓預緊(旋緊)的情況下,可以提供振動探頭所需的驅動力。組件的檢測單元一般由一片壓電陶瓷組成,是用來感知探頭振動的強度。在產品設計中,壓電組件通常用螺栓進行旋緊固定裝配在一起,實現對探頭振動的驅動和檢測。 

談談壓電陶瓷在振動式物位開關中的螺栓預緊

圖一          圖二          圖三

  計為自動化推出的物位測量產品如Ring-11音叉液位開關Fork-11音叉料位開關,以及Tube-11振棒式料位開關均采用壓電陶瓷來實現振動的驅動和檢測。

  在對壓電陶瓷驅動和檢測特性的實驗研究中,我們首先發現,壓電陶瓷片的靜態電容會隨著預緊力(即螺栓緊固力)的變化而變化:先是變小,減到一定值(也是最小值),隨著螺栓擰緊力矩的增大,又逐漸增大(如圖3)。我們還發現,給壓電組件施加不同的預緊力(就是螺栓旋緊力)對其振動頻率有較大的影響,即隨著預緊力的增大,驅動體工作頻率隨著力矩的增大呈線性增大趨勢,當預緊力矩達到一定值時,工作頻率又隨著力矩的增大而變小(如圖2所示)。根據壓電陶瓷靜電容隨預緊力大小而變化的這種電特性,我們總結并經實驗驗證,使壓電陶瓷組的靜態電容達到(1~1.05)C0時的預緊力為最佳。因此在產品裝配工藝中,可以通過檢測靜態電容大小來設定螺栓緊固力矩。具體方法如下:預緊前,首先應用數字電橋電容表測出壓電陶瓷片的靜態電容C0,再慢慢對壓電陶瓷片進行預緊,并注意觀察其靜態電容的變化,當電容值達到(1~1.05)C0范圍內時,這時預緊力達到最佳,通過對螺帽點固定膠實施預緊力的永久固定。需要特別注意的是,預緊力太小,壓電陶瓷輸出的驅動力較小;預緊力過大,會影響壓電陶瓷的振動,甚至壓碎壓電陶瓷片。

談談壓電陶瓷在振動式物位開關中的螺栓預緊    

圖四:一種應用于振動式料位開關的壓電陶瓷組件

談談壓電陶瓷在振動式物位開關中的螺栓預緊

圖五:一種壓電陶瓷組件裝配示意圖


(深圳計為自動化技術有限公司研發中心2015年3月21日發布)


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