一、引言
氣動技術很重要的一個發(fā)展方向是：節(jié)能、低功耗、小型化、精密化、高速化及長壽命。為了使氣動元件或控制系統(tǒng)實現(xiàn)以上的目標，很多研究機構和公司從不同的方面進行著努力。比如對傳統(tǒng)氣動閥進行結構上的革新，或提高其配件的性能指標，及引進新的材料和技術等。
傳統(tǒng)的氣動換向閥中大量使用了電磁鐵作為電－機械轉換級，其把電控制信號轉換為機械的位移，推動閥芯，實現(xiàn)氣路的切換或氣體壓力、流量的比例控制。作為電－機械轉換級的電磁鐵有價格低廉，操作使用方便等優(yōu)點；但其也有很多缺點：如功耗大、響應速度不夠快、存在發(fā)熱及有電磁干擾等。
把壓電材料的電－機械轉換特性引入到氣動閥中，作為氣動閥的電－機械轉換級，這是一項不同于傳統(tǒng)氣動閥的全新技術。采用了壓電技術的氣動閥在性能上有著傳統(tǒng)氣動閥無可比擬的優(yōu)勢。本文對壓電技術作了簡要介紹，并討論了壓電技術在氣動閥中應用的方法，*后介紹了采用壓電技術的氣動閥???性能特點及其典型應用。
二、壓電效應簡介
對于晶體構造中不存在對稱中心的異極晶體，加在晶體上的張緊力、壓應力或切應力，除了產(chǎn)生相應的變形外，還將在晶體中誘發(fā)出介電極化或電場。這一現(xiàn)象被稱為正壓電效應；反之，若在這種晶體上加上電場，從而使該晶體產(chǎn)生電極化，則晶體也將同時出現(xiàn)應變或應力，這就是逆壓電效應。兩者通稱為壓電效應。1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)了電氣石的壓電效應，從此開始了壓電學的歷史。壓電式氣動換向閥即是利用壓電逆效應而研制的。
三、壓電技術在氣動閥中的應用
1、微型直動式換向閥
利用壓電材料在電場作用下的變形，來實現(xiàn)氣動閥閥口的開啟和關閉，這樣就可以做成微型直動式換向閥。如下圖所示的微型二位三通換向閥，1口為進氣口，2口為輸出氣口，3口為排氣口，閥中間的彎曲部件為壓電材料組成的壓電片。當沒有外加電場作用時，閥處于圖1狀態(tài)：進氣口關閉，輸出氣口2經(jīng)排氣口3通大氣。當在壓電閥片上外加控制電場后，壓電閥片產(chǎn)生變形上翹，上翹的壓電閥片關閉了排氣口3，同時進氣口1和輸出氣口2連通。這樣就完全實現(xiàn)了傳統(tǒng)二位三通電磁換向閥的功能。
2、壓電式電氣比例調(diào)壓閥
壓電材料的變形量正比于施加在其上的電場強度，利用這一特點，可以開發(fā)出比例調(diào)壓閥。如圖3所示，施加不同的控制電壓到壓電閥片上，壓電閥片產(chǎn)生不同的彎曲變形量，這樣就在進氣口1與輸出氣口2之間及輸出氣口2與排氣口3之間形成不同的氣流阻力，從而在輸出氣口2的得到不同的氣體壓力。圖4顯示了輸出氣口2的壓力隨控制電壓變化的曲線。
由于壓電閥片在變形過程中不受機械摩擦力，且壓電閥片有響應快功耗低的特點，基于壓電閥片的電氣比例調(diào)壓閥很多性能優(yōu)于傳統(tǒng)的比例調(diào)壓閥。例如其沒有死區(qū)，壓力可以從零開始連續(xù)調(diào)節(jié)；其響應快，可滿足高速系統(tǒng)的應用要求；其功耗低，可由電池或太陽能直接驅動。
3、壓電閥為先導的氣動換向閥
把微型壓電閥作為先導級，對其氣體流量及壓力進一步放大，就可以得到符合各種國際標準外形尺寸的壓電式氣動閥，同樣，其很多性能特點都優(yōu)于傳統(tǒng)的電磁閥。
四、壓電式氣動閥的獨特優(yōu)勢及其應用
相對于傳統(tǒng)的電磁氣動閥，采用壓電技術的換向閥，有功耗低、響應快及沒有電磁影響等優(yōu)點，所以其開辟了很多氣動技術應用的新領域。
1、各種壓力或力**、連續(xù)控制場合的應用
采用壓電式的電氣比例調(diào)壓閥，可取代手動調(diào)壓閥，實現(xiàn)力或壓力的實時、**連續(xù)自動控制，可應用于各種工業(yè)自動化領域，例如張緊力控制、激光切割或焊接設備、玻璃切割或研磨設備、玻璃容器密封檢測等等。
2、智能閥門定位器及呼吸機上的應用
智能閥門定位器為氣動閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，其要求氣動元件響應快、功耗低。壓電式氣動閥可完全滿足其性能要求，利用壓電閥的快速響應特性，通過PWM控制，可得到優(yōu)越的控制性能。
醫(yī)療呼吸機同樣對氣動控制系統(tǒng)有極高且嚴格的性能要求，壓電式氣動閥在此領域也有獨特的應用
3、與現(xiàn)場總線的配合使用
在工業(yè)自動化及過程控制領域，現(xiàn)場總線技術得到越來越多的應用。由于壓電閥沒有電磁影響，且功耗低，可由數(shù)據(jù)信號直接驅動，所以其和現(xiàn)場總線有良好的配合接口。
4、本安防爆場合的應用
由于壓電式氣動換向閥功耗很低，所以其可以做到***別的本安防爆要求，使用在各種防爆場合。
五、總結
壓電式氣動換向閥是把壓電技術引入到氣動閥中的一項新技術，相對于傳統(tǒng)的氣動閥，其有功耗低、響應快、沒有電磁干擾、壽命長及不會發(fā)熱等優(yōu)點。其在工業(yè)及過程自動化控制領域有廣闊的應用。