谈谈压电陶瓷在振动式物位开关中的螺栓预紧

压电陶瓷广泛应用于振动式物位开关中，压电陶瓷组件往往是其核心部件，因为其探头振动的产生和检测就是由压电陶瓷组件来完成的。压电组件由驱动部分和检测部分构成（如图1），由其完成振动式料位开关探头振动的驱动和检测。组件的驱动部分通常由几片压电陶瓷叠堆在一起，采取机械上串联、电学上并联的结构形式。这种结构可以使采用很薄的压电陶瓷片，以降低驱动电压，并增加驱动产生的位移，在螺栓预紧（旋紧）的情况下，可以提供振动探头所需的驱动力。组件的检测单元一般由一片压电陶瓷组成，是用来感知探头振动的强度。在产品设计中，压电组件通常用螺栓进行旋紧固定装配在一起，实现对探头振动的驱动和检测。

图一 图二 图三

计为自动化推出的物位测量产品如Ring-11音叉液位开关和Fork-11音叉料位开关，以及Tube-11振棒式料位开关均采用压电陶瓷来实现振动的驱动和检测。

计为振动式物位开关

在对压电陶瓷驱动和检测特性的实验研究中，我们首先发现，压电陶瓷片的静态电容会随着预紧力（即螺栓紧固力）的变化而变化：先是变小，减到一定值（也是最小值），随着螺栓拧紧力矩的增大，又逐渐增大（如图3）。我们还发现，给压电组件施加不同的预紧力（就是螺栓旋紧力）对其振动频率有较大的影响，即随着预紧力的增大，驱动体工作频率随着力矩的增大呈线性增大趋势，当预紧力矩达到一定值时，工作频率又随着力矩的增大而变小（如图2所示）。根据压电陶瓷静电容随预紧力大小而变化的这种电特性，我们总结并经实验验证，使压电陶瓷组的静态电容达到（1～1.05）C0时的预紧力为最佳。因此在产品装配工艺中，可以通过检测静态电容大小来设定螺栓紧固力矩。具体方法如下：预紧前，首先应用数字电桥电容表测出压电陶瓷片的静态电容C0，再慢慢对压电陶瓷片进行预紧，并注意观察其静态电容的变化，当电容值达到（1～1.05）C0范围内时，这时预紧力达到最佳，通过对螺帽点固定胶实施预紧力的永久固定。需要特别注意的是，预紧力太小，压电陶瓷输出的驱动力较小；预紧力过大，会影响压电陶瓷的振动，甚至压碎压电陶瓷片。

图四、一种应用于振动式料位开关的压电陶瓷组件

图五、一种压电陶瓷组件装配示意图

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