压电技术及其在气动领域中的应用

BOSCH自动化有限公司    刘涛      博士

一、引言
       气动技术很重要的一个发展方向是：节能、低功耗、小型化、精密化、高速化及长寿命。为了使气动元件或控制系统实现以上的目标，很多研究机构和公司从不同的方面进行着努力。比如对传统气动阀进行结构上的革新，或提高其配件的性能指标，及引进新的材料和技术等。
       传统的气动换向阀中大量使用了电磁铁作为电－机械转换级，其把电控制信号转换为机械的位移，推动阀芯，实现气路的切换或气体压力、流量的比例控制。作为电－机械转换级的电磁铁有价格低廉，操作使用方便等优点；但其也有很多缺点：如功耗大、响应速度不够快、存在发热及有电磁干扰等。
       把压电材料的电－机械转换特性引入到气动阀中，作为气动阀的电－机械转换级，这是一项不同于传统气动阀的全新技术。采用了压电技术的气动阀在性能上有着传统气动阀无可比拟的优势。本文对压电技术作了简要介绍，并讨论了压电技术在气动阀中应用的方法，最后介绍了采用压电技术的气动阀的性能特点及其典型应用。

二、压电效应简介
       对于晶体构造中不存在对称中心的异极晶体，加在晶体上的张紧力、压应力或切应力，除了产生相应的变形外，还将在晶体中诱发出介电极化或电场。这一现象被称为正压电效应；反之，若在这种晶体上加上电场，从而使该晶体产生电极化，则晶体也将同时出现应变或应力，这就是逆压电效应。两者通称为压电效应。1880 年居里兄弟发现了电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。
       压电式气动换向阀即是利用压电逆效应而研制的。

三、压电技术在气动阀中的应用
      1、微型直动式换向阀
       利用压电材料在电场作用下的变形，来实现气动阀阀口的开启和关闭，这样就可以做成微型直动式换向阀。如下图所示的微型二位三通换向阀，1 口为进气口，2 口为输出气口，3口为排气口，阀中间的弯曲部件为压电材料组成的压电片。当没有外加电场作用时，阀处于图1 状态：进气口关闭，输出气口2 经排气口3 通大气。当在压电阀片上外加控制电场后，压电阀片产生变形上翘，上翘的压电阀片关闭了排气口3，同时进气口1 和输出气口2 连通。这样就完全实现了传统二位三通电磁换向阀的功能。

       2、压电式电气比例调压阀
       压电材料的变形量正比于施加在其上的电场强度，利用这一特点，可以开发出比例调压阀。如图3 所示，施加不同的控制电压到压电阀片上，压电阀片产生不同的弯曲变形量，这样就在进气口1 与输出气口2 之间及输出气口2 与排气口3 之间形成不同的气流阻力，从而在输出气口2 的得到不同的气体压力。图4 显示了输出气口2 的压力随控制电压变化的曲线。

       由于压电阀片在变形过程中不受机械摩擦力，且压电阀片有响应快功耗低的特点，基于压电阀片的电气比例调压阀很多性能优于传统的比例调压阀。例如其没有死区，压力可以从零开始连续调节；其响应快，可满足高速系统的应用要求；其功耗低，可由电池或太阳能直接驱动。

3、压电阀为先导的气动换向阀
     把微型压电阀作为先导级，对其气体流量及压力进一步放大，就可以得到符合各种国际标准外形尺寸的压电式气动阀，同样，其很多性能特点都优于传统的电磁阀。

四、压电式气动阀的独特优势及其应用
       相对于传统的电磁气动阀，采用压电技术的换向阀，有功耗低、响应快及没有电磁影响等优点，所以其开辟了很多气动技术应用的新领域。
       1、各种压力或力精确、连续控制场合的应用
       采用压电式的电气比例调压阀，可取代手动调压阀，实现力或压力的实时、精确连续自动控制，可应用于各种工业自动化领域，例如张紧力控制、激光切割或焊接设备、玻璃切割或研磨设备、玻璃容器密封检测等等。
       2、智能阀门定位器及呼吸机上的应用
       智能阀门定位器为气动闭环位置控制系统，其要求气动元件响应快、功耗低。压电式气动阀可完全满足其性能要求，利用压电阀的快速响应特性，通过PWM 控制，可得到优越的控制性能。
       医疗呼吸机同样对气动控制系统有极高且严格的性能要求，压电式气动阀在此领域也有独特的应用
       3、与现场总线的配合使用
       在工业自动化及过程控制领域，现场总线技术得到越来越多的应用。由于压电阀没有电磁影响，且功耗低，可由数据信号直接驱动，所以其和现场总线有良好的配合接口。
       4、本安防爆场合的应用
       由于压电式气动换向阀功耗很低，所以其可以做到最高级别的本安防爆要求，使用在各种防爆场合。

五、总结
       压电式气动换向阀是把压电技术引入到气动阀中的一项新技术，相对于传统的气动阀，其有功耗低、响应快、没有电磁干扰、寿命长及不会发热等优点。其在工业及过程自动化控制领域有广阔的应用。

参考文献
【1】液压气动密封行业信息专刊汇编第二卷2003 年11 月 
【2】张福学等编著，压电铁电应用285 例，国防工业出版社，1987 年3 月第一版 
【3】贺尔碧格公司产品资料