压电陶瓷如何产生高压

压电陶瓷换能器的原理是：当对这种陶瓷片施加压力或拉力，它的两端会产生极性相反的电荷，通过回路而形成电流。这种效应称为压电效应。如果把用这种压电陶瓷做成的换能器放在水中，那么在声波的作用下，在其两端便会感应出电荷来，这就是声波接收器。而且，压电效应是可逆的，假如在压电陶瓷片上施加一个交变电场，陶瓷片就会时而变薄时而变厚，同时产生振动，发射声波。这样超声波发射器的问题也就解决了。

时间紧，只写了这些过几天再给你一些
载波机选用的频率范围在40kHz～
500kHz。为了便于传输又减少干扰，一般选
用低于40kHz 并尽可能在音频范围内。载波通信设备大多选用222kHz、258kHz、
378kHz 系列MF 作为选频器件。由于电力线路
对载波信号的干扰比较强，在电路设计时接收机入口信噪比一般要达到30dB～
40dB，因而阻带要求更高；另一方面，为
了减少数据传输的误码率，对MF 的通带波动也提出了更高的要求。
2MF 的技术要求（以222kHzMF 为例）
中心频率：f0=222kHz±5Hz
－1dB 带宽：△f1≥±40Hz
带内波动：△b≤05dB,在f0±30Hz 两点，△b≤03dB
防卫度：f0±120Hz≥40dB
f0±200Hz≥60dB
插入损耗：b0≤6dB
阻抗：Z 入=600Ω,Z 出=600Ω
外形尺寸：80mm×25mm×17mm
引线位置：73×15
存贮温度：－25℃～＋65℃
311MF 振动模式选择
为适应设备小型化，也必须考虑MF 的体积问题。我们知道，在相同频率下
弯曲振动模式的振子和换能器尺寸最小。同时采用音片振子，在生产调试上比较
方便。适合于批量生产。该MF 采用音片弯曲振动的模式。
312MF 振动系统节数（N）
技术指标规定－1dB 带宽大于80Hz，考虑到调试时的具体情况及温度变化
对宽度的影响，设计时取－3dB，带宽为100Hz。
－40dB 带宽△f≤240Hz，可算得
K40/3=240÷100=24
查表可得：MF 振动系统节数N=4。
313 振子长度
振子长度用下式求解：
式中，αn 是弯曲振动常数；
lr 是振子长度；
h 是振子厚度；
E 是恒弹性合金弹性模量；
ρ 是恒弹性合金密度。
由于MF 中心频率很低，为了减小体积，取h=0085cm,可得出lr=4403cm
（4403mm）。
314 换能子长度
由于换能振子贴上压电陶瓷片才能成为换能器，而压电陶瓷片和专用合金
两种材料的密度及杨氏弹性模量均不相同，且贴的位置不同对换能器频率带宽都
有影响，因而难以进行计算，依据经验，采用修正值来决定。即换能振子实际长
度l=lr＋修正值，修正值视压电陶瓷片的长度、厚度而定。
315 换能器的设计
由于MF 在振动系统节数一定时通带波动和阻带衰耗是一对矛盾的统一体。
在设计MF 时应对其体积、性能、成本等进行最优化设计。体积要尽量小，这就要
求振动系统节数尽量少，但又要达到指标要求的衰减。换能器带宽足够宽意味着
要采用机电耦合系数大的压电陶瓷片才能保证通带内波动尽量小。而换能器
,ΔfK 是换能器带宽。所以ΔfK 值大，则换能器Q 值下降，导致阻带衰减不
陡。对该MF 而言，振动系统节数已定情况下△b<02dB，则－40dB 较难达到；如
果－40dB 易达到，则△b 就较大，经过反复试验、分析，最后选为55S 料、K31=029
的压电陶瓷片来制作换能器，其换能器参数ΔfK=30Hz,静电容C0=3500pF～
3800pF。
图1 Γ 形匹配回路
316 匹配回路的设计
将匹配回路设计成Γ 型，如图1 所示。MF 电路框图如图2 所示。
通过计算可得出：
输入端:L 入=110mH 输出端:L 出=110mH
C 入=1300pFC 出=1300pF
图2 MF 电路框图
4 解决的关键技术
由于该产品为电力载波设备所用，考虑到生产成本，选用了双面印制板代
替印制板加金属底板。一方面，在理论上是将振动元件上振动幅度为零的波节作
为支撑点，但由于谐振子有一定的宽度，支撑体与谐振子有较大的接触面，致使
支撑体随谐振子的大幅度振动而振动，且MF 的中心频率越低，谐振子振动幅度越
大，从而产生较大的寄生峰；另一方面，印制板重量轻，振动系统的寄生峰易通
过印制底板传输，从而影响MF 传输特性。且底板的受力状况不同，如该MF 在生
产过程中是初调好，再装上输入输出电感器，从而改变了底板的受力情况，MF 在
封装时，其受力情况又有改变，都影响MF 的幅频特性。因此，寄生蜂的解决是能
否进行大批量生产的关键问题。经过在生产过程中反复试验、摸索，在工艺、封
装方面做了大量的试验工作，对振动系统的支撑采取了特殊的方式，解决了寄生
峰问题。
现在，该MF 生产已比较成熟，且在该MF 生产的基础上已扩展到生产258kHz
和378kHz 两种MF,且都已进入小批量生产。
5 产品达到的技术指标
中心频率：f0=222kHz±5Hz
－1dB 带宽：△f3≥±40Hz
带内波动：△b≤05dB,在f0±30Hz 两点△b≤03dB
防卫度：f0±120Hz≥42dB
f0±200Hz≥68dB
插入损耗：b0≤35dB
阻抗：Z 入=600Ω,Z 出=600Ω
外形尺寸：80mm×25mm×17mm
引线位置：73×15
存贮温度：－25℃～＋65℃

本文以CAN总线为主要通讯设备,单片机为处理器,工控机为系统支持,匹艾州电子贾卡为执行机构,使该系统具有通讯灵活可靠、耐疲劳性好、花型通讯准确、稳定性好等特点。 In this paper, a electronic jacquard control system based on CAN field bus is brought forward,using CAN bus as the main communication equipment, single-chip as the processor, IPC as the system support, piezo jacquard as the implementation of state institutions, making the communications of the system flexible and reliable, fatigue resistance and stability good, transmission of the pattern correctly, and so on Hope to provide a theoretical support for China"s development of China-made electronic jacquard control system


国外许多先进的新型的贾卡经编机都已采用了压电贾卡控制系统,该系统具有起花性能优异、系统稳定性好、执行机构简单、能耗小等优势,但国内对这方面的研究还不够深入。本文将对一种基于CAN总线的压电贾卡控制系统进行研究,为研制国产的压电贾卡控制系统提供一定的理论支持。

1压电贾卡控制系统原理

压电陶瓷贾卡系统组成如图 1 所示。系统由花型设计系统、工控机、贾卡控制板、贾卡驱动板、主轴信号装置、贾卡压电陶瓷元件等组成。

在产品设计时,一般首先由花型设计系统(经编CAD)进行花型设计与效果仿真。设计完成的花型通过USB接口或者网盘从上位机输入织物的花型信息,上位机进行数据处理后通过CAN总线与贾卡控制板进行数据交换,将贾卡花型信息存贮到控制板上,再从主轴信号装置(接近开关)上得到偏移的信号,当贾卡针可以进行针前或针背偏移时,贾卡控制板结合花型偏移信息,向贾卡驱动板发送偏移信号,驱动板将偏移信号进行转化和放大,进而驱动各个贾卡导纱针进行花型要求的偏移。

2压电贾卡控制系统的特点与工艺要求

主轴一转,横移机构推动贾卡梳栉做横移运动,同时每一个贾卡导纱针可以独立地在针前或者针背做偏移运动,显然,贾卡花型的垫纱运动是梳栉横移和贾卡针偏移的复合。贾卡针在针前、针背的偏移和复位,可以在织物表面形成薄、厚、网孔、立体等花纹效应,可见,这种复杂的复合运动具有超强的起花功能,同时也给压电贾卡控制系统提出了很高的要求。
21花型通讯要求
一台贾卡经编机上贾卡导纱针的数量较多,以MRPJ43/1的机型为例,幅宽为 132″时,贾卡针块数为 198,每块有导纱针 16 根,总数达到 3 168 之多,每根导纱针都要独立的受到控制信号的驱动做偏移运动。所以通常一个贾卡花型数据文件大小为几十kB至上百kB,比电子横移系统的一个花型文件要大的多,显然压电贾卡控制系统必须采用一种具有高效稳定的通讯功能的通讯方式,同时要求通讯快速、准确。
22反复偏移的疲劳性要求
以MRPJ43/1机型为例,机速 450 r/min,假设平均一枚贾卡导纱针每 5 个横列偏移 1 次,机器效率为 90% 时,每枚导纱针平均要偏移 81 次/min之多,这对贾卡导纱针的反复偏移性能要求很高。本文采用的压电贾卡导纱针,运用逆压电效应使电能转化为机械能,具有用电量少、发热少、使用寿命长的特点,因而具有良好的耐疲劳性能。
23运动精确性和响应性要求
贾卡针的配置都是一般都采取半机号配置的形式,导纱针间设置有定位块,贾卡针在定位块之间的偏移距离是很小的。偏移量过小,会引起檫针撞针现象,并导致花型形成错花,影响织物质量;偏移量过大,则导纱针与定位块的撞击激烈,影响针块寿命。
偏移时间短、频率高,这就要求压电贾卡控制系统的要具有很高的响应速度。否则会引起擦针撞针等现象,直接导致织针和贾卡导纱针损坏的严重后果。
24稳定性要求
为适应经编生产阔幅化的趋势,许多现代经编机上配置有大量的贾卡针块,每一根贾卡导纱针都是一个独立的控制单元,为使每一根针独立运动而不受干扰,系统的通讯和信号传输势必要有很好的抗干扰性,从而达到花型准确无误的系统稳定系。

3压电贾卡控制系统的硬件结构

31上位机
上位机主要由工控机和触摸屏组成。工控机内置CAN卡,外接CAN总线。CAN总线属于现场总线(Field Bus)的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,使经编机压电贾卡控制系统具有通讯灵活、实时性好、靠干扰能力强、出错率低等特点。工控机的作用是将外部花型设计系统的花型通过USB或者网盘进行花型输入,接受来自贾卡控制板的数据信息,并进行数据分析和处理后向控制板发送花型信息,通过触摸屏完成对系统状态的检测、显示、修改、加载和参数设定等。
32压电贾卡控制板
单片机是贾卡控制板的核心,P89C51RD21单片机内置看门狗,有 6 时钟和 12 时钟两种工作模式,6 时钟工作模式下工作速度是 51 单片机的 2 倍,花型每一横列的读取速度不超过 30 ms,这正是采用这款单片机的原因。贾卡控制板的作用是储存花型信息并结合输入的主轴位置信号进行处理后,输出控制信号给贾卡导纱针驱动板。
如图 2 所示,串行信号由CAN控制模块输入单片机进而储存在Flash数据存储器,由于贾卡花型文件比较大,所以单片机必须连接外部扩展存储器才能存储庞大的贾卡花型文件。结合花型信息和主轴位置信号,控制板通过串口输出模块向驱动板输出控制信号。

33导纱针驱动板
导纱针驱动板上配置有传入并出芯片、总线驱动器、光电耦合放大装置等,其作用是将控制板输出的信号进行转化和放大,从而驱动压电贾卡导纱针完成花型要求的偏移动作。
所有的压电贾卡导纱针必须能同时被控制做偏移或复位的动作,但是 1 台贾卡经编机的贾卡导纱针的数量较多,不能采取并行方式输出控制信号。所以,如图 3 所示,控制信号先经过具有串行并出功能的芯片。为了提高单片机的驱动能力,并行信号还必须经过总线驱动器。从总线驱动器出来的信号必要时要经过反向电路,使导纱针得以复位。通过转化的偏移控制信号太微弱,必须经过放大后才能驱动贾卡导纱针,光电耦合放大装置很好地完成了这项功能,其自带高压光耦,不仅实现了弱电控制信号与强电的隔离,而且有效地抑制了干扰。

34压电陶瓷贾卡导纱针
贾卡贾卡导纱针元件由压电陶瓷片、玻璃纤维层、导纱针支架、贾卡导纱针等组成。在每一贾卡导纱针的两面各贴上压电陶瓷片,中间用玻璃纤维层隔离,起绝缘的作用。可替换的导纱针由导纱针支座固定在玻璃纤维层上。在每个导纱针的左右位置安装 2 个定位块,从而保证偏移的准 确性。


4控制系统软件设计

41上位机主控制程序
上位机主控制程序采用模块化的设计思路,借助于高级编程语言,完成对系统的通讯、显示、诊断,花型软件的输入、加载以及人机界面管理。包括文件CAN通讯模块、状态监测和显示模块、文件管理模块、参数修改模块等。主程序流程图如图 4 所示。
42CAN通信程序
CAN通讯程序将贾卡花型文件从上位机下载到控制板上的单片机。花型文件的传输由两部分组成:贾卡花型和花高、花宽和花型数据。CAN通讯程序流程如图 5 所示,程序启动时自动完成单片机串行通信的初始化工作,包括:波特率设置、数据传输格式及工作模式设置等。用户下载花型数据时,按下装置相应按键系统进入片外Flash擦除模式。约 5 ～ 10 s,Flash擦除完毕。传输的花型数据中,前两个字节为花型宽度,第 3、4 个字节为花型高度,紧接着就是贾卡导纱针动作的花型数据。花型数据的下载进度主要是通过这前 4 个字节来判断和控制。
43单片机程序
单片机子程序主要完成对花型文件和主轴位置信号相同步后对位输出偏移控制信号。如图 6 所示,当看门狗程序对系统的检测完成后,单片机通过CAN总线完成与上位机通讯,之后读取单片机的存储数据和位置信号,同步后进行信号输出。另外,当系统出现故障时(如掉电),花型数据等信息可以很好的保存。

5结语

基于CAN总线的压电贾卡控制系统充分发挥了CAN总线强大的通讯能力和抗干扰性能,采用了单片机的强大储存、快速处理以及压电贾卡的快速响应性,实现了贾卡控制系统的通讯灵活、长久耐疲劳、精确定位、快速响应和很高的可靠性,为我国研制国产的电子贾卡控制系统提供了一定的理论支持。

参考文献
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尺寸可以随意定的，一般尺寸不能太小，大于05mm吧，大的话能到直径50mm（我所见过的最大的），能产生的电压跟施加的力有关，还得看是什么材料比如石英、PZT（锆钛酸铅）等，市场上PZT较多，电流就别指望了。压电陶瓷是电容性负载，外接电阻越大越好不然你检测不到电压的，电流就非常的小了