1、引言

傳統(tǒng)的氣動(dòng)閥中大量使用了電磁鐵作為電－機(jī)械轉(zhuǎn)換級(jí)，其把電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械的位移，推動(dòng)閥芯，實(shí)現(xiàn)氣路的切換或氣體壓力、流量的比例控制。作為電－機(jī)械轉(zhuǎn)換級(jí)的電磁鐵有價(jià)格低廉，操作使用方便等優(yōu)點(diǎn)；但其也有很多缺點(diǎn)：如功耗大、響應(yīng)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(jī)械轉(zhuǎn)換特性引入到氣動(dòng)閥中，作為氣動(dòng)閥的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換級(jí)，這是一項(xiàng)不同于傳統(tǒng)氣動(dòng)閥的全新技術(shù)。采用了壓電技術(shù)的氣動(dòng)閥在性能上有著傳統(tǒng)氣動(dòng)閥無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2、壓電效應(yīng)簡(jiǎn)介

對(duì)于晶體構(gòu)造中不存在對(duì)稱(chēng)中心的異極晶體，加在晶體上的張緊力、壓應(yīng)力或切應(yīng)力，除了產(chǎn)生相應(yīng)的變形外，還將在晶體中誘發(fā)出介電極化或電場(chǎng)。這一現(xiàn)象被稱(chēng)為正壓電效應(yīng)；反之，若在這種晶體上加上電場(chǎng)，從而使該晶體產(chǎn)生電極化，則晶體也將同時(shí)出現(xiàn)應(yīng)變或應(yīng)力，這就是逆壓電效應(yīng)。兩者通稱(chēng)為壓電效應(yīng)。1880 年居里兄弟發(fā)現(xiàn)了電氣石的壓電效應(yīng)，從此開(kāi)始了壓電學(xué)的歷史。壓電式氣動(dòng)換向閥即是利用壓電逆效應(yīng)而研制的。

3、壓電技術(shù)在氣動(dòng)閥中的應(yīng)用

1、微型直動(dòng)式換向閥

利用壓電材料在電場(chǎng)作用下的變形，來(lái)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)閥閥口的開(kāi)啟和關(guān)閉，這樣就可以做成微型直動(dòng)式換向閥。如下圖所示的微型二位三通換向閥，1 口為進(jìn)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(dāng)沒(méi)有外加電場(chǎng)作用時(shí)，閥處于：圖1 狀態(tài)：進(jìn)氣口關(guān)閉，輸出氣口2 經(jīng)排氣口3 通大氣。當(dāng)在壓電閥片上外加控制電場(chǎng)后，壓電閥片產(chǎn)生變形上翹，上翹的壓電閥片關(guān)閉了排氣口3，同時(shí)進(jìn)氣口1 和輸出氣口2 連通。這樣就完全實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)二位三通電磁換向閥的功能。

圖1                   圖2

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(chǎng)強(qiáng)度，利用這一特點(diǎn)，可以開(kāi)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(jìn)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。由于壓電閥片在變形過(guò)程中不受機(jī)械摩擦力，且壓電閥片有響應(yīng)快功耗低的特點(diǎn)，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(méi)有死區(qū)，壓力可以從零開(kāi)始連續(xù)調(diào)節(jié)；其響應(yīng)快，可滿足高速系統(tǒng)的應(yīng)用要求；其功耗低，對(duì)電源功率要求低。

             

圖3                                       

3、壓電閥為先導(dǎo)的氣動(dòng)換向閥

把微型壓電閥作為先導(dǎo)級(jí)，對(duì)其氣體流量及壓力進(jìn)一步放大，就可以得到符合各種國(guó)際

標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸的壓電式氣動(dòng)閥，同樣，其很多性能特點(diǎn)都優(yōu)于傳統(tǒng)的電磁閥。

4、壓電式氣動(dòng)閥的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用

相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁氣動(dòng)閥，采用壓電技術(shù)的換向閥，有功耗低、響應(yīng)快及沒(méi)有電磁影響等優(yōu)點(diǎn)，所以其開(kāi)辟了很多氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域。

4、總結(jié)

壓電式氣動(dòng)換向閥是把壓電技術(shù)引入到氣動(dòng)閥中的一項(xiàng)新技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的氣動(dòng)閥，其有

功耗低、響應(yīng)快、沒(méi)有電磁干擾、壽命長(zhǎng)及不會(huì)發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)。其在工業(yè)及過(guò)程自動(dòng)化控

制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用。

　　　 調(diào)節(jié)閥是控制系統(tǒng)的終端，一旦其發(fā)生故障，將直接影響裝置的安全運(yùn)行，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程影響非常大。運(yùn)用智能閥門(mén)定位器，能夠改善調(diào)節(jié)閥的流量特性和性能，可以通過(guò)與DCS或總線設(shè)備進(jìn)行數(shù)字信息通訊，提升企業(yè)生產(chǎn)控制能力，為裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供保障。

1． 常規(guī)定位器存在的不足
　　1) 常規(guī)定位器多為機(jī)械力平衡原理，它采用噴嘴擋板機(jī)構(gòu)，可動(dòng)件較多，容易受溫度波動(dòng)、　

外界振動(dòng)等干擾的影響，耐環(huán)境性差；彈簧的彈性系數(shù)在惡劣環(huán)境下能發(fā)生改變，會(huì)造

成調(diào)節(jié)閥非線性，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降；外界振動(dòng)傳到力平衡機(jī)構(gòu)，易造成部件磨損以及

零點(diǎn)和行程漂移，也使定位器難以工作；
　　2) 由于噴嘴本身的特性，執(zhí)行器在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)也要大量消耗壓縮空氣，若使用執(zhí)行器數(shù)量

較多，能耗較大；而且噴咀本身是一個(gè)潛在故障源，易被灰塵或污物顆粒堵住，使定位

器不能正常工作；
　　3) 常規(guī)定位器手動(dòng)調(diào)校時(shí)需要使用專(zhuān)用設(shè)備、不隔離控制回路是不可能的，且零點(diǎn)和行程

的調(diào)整互相影響，須反復(fù)整定，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，非線性嚴(yán)重時(shí)，則更難調(diào)整。
2．智能閥門(mén)定位器的組成和原理
　　2.1智能閥門(mén)定位器的組成
　　　智能閥門(mén)定位器是一種具有HART通信協(xié)議的閥門(mén)定位器，由三部分組成：微處理器電子

控制的模件，包括HART通信模塊和就地用戶界面開(kāi)關(guān)；電/氣動(dòng)轉(zhuǎn)換器模件的壓電閥；

閥位傳感器。
　　2.2智能閥門(mén)定位器的工作原理
　　　整個(gè)控制回路由兩線、4～20mA信號(hào)控制。HART模件送出和接收疊加在4～20mA信號(hào)上

的數(shù)字信息，實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向數(shù)字通信。模擬量的4～20mA信號(hào)傳給微處理器，

與閥位傳感器的反饋進(jìn)行比較，微處理器根據(jù)偏差的大小和方向進(jìn)行控制計(jì)算（一級(jí)控

制），向壓電閥發(fā)出電控指令使其進(jìn)行開(kāi)、閉動(dòng)作。壓電閥依據(jù)控制指令脈沖的寬度對(duì)

應(yīng)于氣動(dòng)放大器輸出壓力的增量，同時(shí)氣動(dòng)放大器的輸出又被反饋給內(nèi)控制回路，再次

與微處理器的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比較運(yùn)算（二級(jí)控制），通過(guò)兩級(jí)控制輸出信號(hào)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，

執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)空氣壓力的變化控制著閥門(mén)行程。當(dāng)控制偏差很大時(shí)，壓電閥發(fā)出寬幅脈沖

信號(hào)，使定位器輸出一個(gè)連續(xù)信號(hào)，大幅度的改變至執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)壓力驅(qū)動(dòng)閥門(mén)快速

動(dòng)作；隨著閥門(mén)接近要求的位置，命令要求的位置與測(cè)得位置的差值變小，壓電閥輸出

一個(gè)較小脈寬的脈沖信號(hào)，斷續(xù)、小幅度的改變至執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)壓力，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)接

近新命令位置的動(dòng)作平緩。當(dāng)閥門(mén)到達(dá)要求的位置（進(jìn)入死區(qū)）時(shí)，壓電閥無(wú)脈沖輸出，

定位器輸出保持為零，使閥門(mén)穩(wěn)定在某一位置不動(dòng)。
　　3．智能定位器的調(diào)校