智能阀门定位器核心部件-压电阀结构原理介绍

    一、引言
    传统的气动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。
    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。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,对电源功率要求低。

    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。
    4、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。
    四、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。