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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。

圖一　　圖二　圖三

　　計為自動化推出的物位測量產品如Ring-11 音叉液位開關和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。