关键字：压电技术、压电阀、智能阀门定位器、本安防爆阀

将压电材料的电-力转换特性应用于气动控制行业，作为气动控制的电能-机械能之间的转换基，这是一项全新技术。相对于传统的气动控制方法，它实现了无可比拟的控制性能。本文对压电技术作简要的说明，基于压电技术开发的产品和技术特性，并向大家介绍贺尔碧格公司将压电技术在流体控制的领域的典型应用。
一、 引言

气动控制技术的发展方向：节能、低功耗、智能集成化、高精度、快速响应和长寿命。
为了这一目标，长期以来我们在进行着不同的努力—机械结构完善，加工工艺的变更以及新材料的开发和应用等。

传统的气动阀中大量使用了电磁原理作为电能-机械能的转换级，应用线圈和电磁铁的电磁力效应将控制的电信号转换位机械的动作来推动阀芯的动作，从而实现气路的切换或气体压力、流量的控制。电磁铁和线圈具有价格低廉，加工方便的优点，但随着气动控制要求的不断提高，电磁式的缺点逐渐显现，如功率损耗大、响应速度不够快、发热、机械磨损和存在电磁干扰等缺点。
我们不断的通过改变电磁铁的材料和阀的加工工艺来避免以上问题的产生，但这样使我们的产品成本增加、加工工艺变得复杂。 并且有些问题无法避免，当我们将电磁线圈的功耗降低的同时导致其驱动力的下降，这样对驱动功率来说是我们不愿意看到的。

基于压电技术的电能-机械能的转换级，彻底克服了传统电磁式的缺点，从而实现气动以下特性：
- 低功耗，压电效应中的功率损耗仅为0.0014mW，实现超低功耗与高驱动率的要求。
- 超快的响应，响应时间小于2ms
- 无电磁干扰的影响。
- 无自发热现象。
- 无机械磨损，长寿命，动作次数达20亿次。
- 结构非常简单，承受大的震动冲击。，

二、 压电效应简介

压电材料（piezoelectric material），受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。

三、 压电技术在气动控制中的应用和特性

1、 压电式微型直动式开关阀

利用压电材料的逆变效应从而实现阀的开启和关闭，这是我们气动阀设计的初衷。如下图所示的微型直动式开关阀，我们称之为压电阀P9系列。我们将1口作气源压力的输入口，当压电阀处于无激励的状态下，压电晶体片处于如图1所示，1口关闭。2口和3口导通。当压电阀处于受激励状态下，压电晶体片处于如图2所示，1口和2口导通，3口关闭。这样我们可以实现气动要求的二位三通控制的开关断功能。

 


2、 压电式微型直动式比例阀

正如大家所了解的，压电材料的变形量正比于施加在上面的电场强度，利用这一特性。我们开发出比例式压电阀系列，如下图所示，当电压的不断变化时，将改变压电阀片的变形量，从而实现输出压力口2的压力变化。



利用微型压电阀作为先导级，将流量和压力进行进一步放大，就可以得到多种符合国际标准的气动控制阀，并且其性能特点由于传统的电磁式气动阀产品。

四、 基于压电阀系列的气动阀独特性能及其应用领域

正如您前面所了解的，相对于传统的气动阀而言，压电气动的快速响应、低损耗、无电磁干扰等特性。我们将其应用多种传统的和新兴的气动控制领域。

1、 各种力和压力精确和连续的控制场合。

基于比例式微型压电阀开发的电气比例压力调节阀系列，具有高控制精度和稳定性、快速响应、无超调和无自发热现象，可应用于各种自动化控制行业，如张力调节系统、激光切割和焊接设备、抛光系统中的压力控制、泄露检测系统中压力的调节和溶剂的配比系统等场合。

2、 基于压力阀的智能阀门定位器开发和应用

智能阀门定位器作为石化、制药等行业中的智能化控制仪表，其要求具有快速响应、控制性能稳定和低功耗的要求，这也正是压电阀的优势所在。采用压电阀作为其I/P转换单元，实现智能阀门定位器的优越的性能。结构紧凑简单可靠，耗气量极低、功率损耗极低等特点。
目前的智能阀门定位器所采用的用微功耗电磁式的喷嘴挡板式和压电式两种，相对于前者，基于压电技术的设计，其结构简单，制造方便、在其极低的气量消耗要求下，它的优点更能显现。而采用后者的设计对整个系统的制造和装配工艺复杂。

3、 压电阀技术在医疗行业的应用

将压电阀产品应用于呼吸机设备，实现压力和流量的精确调节，呼吸系统的快速响应，无超调现象和连续调节等精确控制等要求，这是压电阀产品能胜任其应用的条件。同样我们将压电阀产品应用到血压等检测系统中，作为压力波动的跟随元件，高速的响应和超低的功率损耗，这是压电产品的优势所在。

4、 应用于危险场合的本安防爆阀产品

基于压电阀超低的功率损耗和无自发热特性，我们开发出本安防爆阀系列产品，就压电阀自身而言，其在切换时功率消耗仅为0.014mW并无自发热现象,所以采用压电阀的本安防爆阀产品可以使用在最高防爆等级要求的场合。实现其系统的安全防爆性能并具有非常好的控制能效。相对于传统的电磁式防爆阀，它的结构简单，使用寿命更长。

5、 未来的现场总线气动技术的基石和条件。

气动技术的发展方向，无论是ProfiBus还是其他的总线技术要求，希望我们的产品具有超低的功耗和无磁性干扰的影响，而压电阀产品采用TTL级电路即可实现驱动、快速的响应，这正是我们未来气动技术发展的条件。

五、 总结

基于压电技术的气动产品，克服了传统气动产品的无法逾越的障碍。实现控制阀产品的高精度、低功率、快响应和结构简单的技术要求。必将在自动化的气控产品中取代传统的电磁式产品并具有广阔的应用。


参考文献：
1） 贺尔碧格公司的压电产品技术资料
2） 压电材料报告