打火机是常用工具，为什么打火机能打出火花来

压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号。它实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷。所谓压电效应是指某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力微小得像声波振动那样小，都会产生压缩或伸长等形状变化，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。19世纪末法国人发现了“压电效应”。20世纪40年代第一个压电陶瓷材料——钛酸钡出现。60年代到70年代，压电陶瓷不断改进，应用广泛。
压电陶瓷材料通常做成长方体。当某一方向上的对应两面受到外力作用时，在压电陶瓷的这两面上就会出现电荷堆积，电量的大小与受力的大小成正比。此时压电陶瓷相当于一个以压电材料为介质的电容器。电容两端的开路电压U=Q/C，Q为极板上电荷量的大小，与所受外力成正比，一般电量Q很小，因此感应出的U也很小。电路检测检测出U的变化，就可以知道是否受到振动了。
平时，压电陶瓷片无电压信号输出，继电器不动作，报警器不发声，报警器处于警戒状态。
当外部产生机械振动声音，压电陶瓷片检测到振动声并将其变换成电压信号，此电压信号经放大后使继电器动作，继电器触点闭合，报警器电路接通，从而高声警报。
为了避免小的声音或震动导致报警器响，压电陶瓷片的输出会加门槛限制。

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。

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压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度，通常用介电常数ε0来表示。在外电场不太大时, 电介质对电场的响应可用线性关系： 表示,P为极化强度, ε0为真空介电常数,为电极化率,E为外加电场。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如, 压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大, 而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。
压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律: Xmn=cmnpqxmnpq, 式中cmnpq叫做弹性体的弹性硬度常数, X 为应力,x为应变。对于压电体,由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有关。 压电陶瓷最大的特性是具有压电性, 包括正压电性和逆压电性。正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化, 从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下, 其电荷密度与外力成正比, 遵循公式：
其中,δ为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系, 遵循公式：
dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应变。压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式:
其中u12为压电能, u1为弹性能, u2为介电能。 经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。
另外, 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。 压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。
压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。
谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

压电特性的物理机制。经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。
当给陶瓷片施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。
另外, 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度。
极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。

楼主理解错误，压电陶瓷片是一种电子发音元件，在两片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流音频信号时，压电片会根据信号的大小频率发生震动而产生相应的声音来。压电陶瓷片由于结构简单造价低廉，被广泛的应用于电子电器方面如：玩具，发音电子表，电子仪器，电子钟表，定时器等方面。
其工作原理为：当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。