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压电技术及其在气动领域中的应用

浏览数量: 291 作者: 本站编辑 发布时间: 来源: 本站

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
       对于压电晶体构造中不存在对称中心的异极晶体,加在压电晶体上的张紧力、压应力或切应力,除了产生相应的变形外,还将在压电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,若在这种压电晶体上加上电场,从而使该压电晶体产生电极化,则压电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。

       压电式气动比例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。


压电技术及其在气动领域中的应用
       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。


压电技术及其在气动领域中的应用


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
       压电式气动比例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