1 壓電閥工作原理
壓電閥最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代SIEMENS公司推出的SPIARTPS智能調(diào)節(jié)閥定位器中。它利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中具有高抗震性、高可靠性、低功耗、節(jié)能等特點(diǎn)，完全能滿足智能閥門定位器對電氣—機(jī)械轉(zhuǎn)換單元的要求。
圖1是比較早期噴嘴擋板式壓電閥的結(jié)構(gòu)圖，主要由擋板、壓電疊堆及背壓室組成。工作時，先給壓電疊堆一定的初始電壓。當(dāng)給壓電疊堆1增加電壓，同時給壓電疊堆2減少電壓時，擋板將做逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)給壓電疊堆1減少電壓，而同時給壓電疊堆2增加電壓時，擋板將做順時針轉(zhuǎn)動。這樣就會因?yàn)殡妷旱目刂贫淖儞醢迮c左、右噴嘴之間的距離，從而達(dá)到輸出口壓力變化，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制。
2 國外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀
近年來，國外研究者通過改變壓電閥的材料和結(jié)構(gòu)，并結(jié)合先進(jìn)的控制和傳感技術(shù)，達(dá)到擴(kuò)大流量調(diào)節(jié)范圍、實(shí)現(xiàn)精確流量控制、加快響應(yīng)速度和減小功率消耗等目的，尤其是針對在一些特殊場合和條件下應(yīng)用的壓電閥進(jìn)行了研究。
2.1 改變壓電閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式
圖2所示是美國研制的應(yīng)用于低溫試驗(yàn)的壓電微型閥的結(jié)構(gòu)簡圖。此壓電微閥的主體由一塊絕緣硅印模片和作為致動器的壓電陶瓷疊堆組成。PZT堆疊驅(qū)動絕緣硅印模片，從而改變與輸入輸出口所在的派勒克斯耐熱玻璃片之間距離而完成對流量的控制。在其外部有一塊尺寸為1×1×1cm3的微型集成陶瓷封裝，它所具有的零孔隙量能保證在真空環(huán)境里沒有泄漏，并且與環(huán)氧樹脂相結(jié)合能給整個閥提供一個完全密封的環(huán)境。該閥的特點(diǎn)之一在于在絕緣硅印模片朝向耐熱玻璃片的一面刻印了許多50μm寬、120μm深、周長為127mm的蛇形凹槽，增加了有效的通流面積，即增加了可提供的流量范圍。并且在具有凹槽的方形硅片的四個方向使用了4條彎曲的蟹型腿做為支撐，保證了有效的支撐和硅片的壓電制動器的驅(qū)動下的靈活運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)中，在室溫時該壓電微閥的調(diào)節(jié)能力范圍能高出同尺寸閥的幾個數(shù)量級；當(dāng)溫度為80K或380K時，輸入壓力高于大氣壓104kPa的情況下，能成功的將流量從380mL/min調(diào)節(jié)到20mL/min。并且在工作過程中功率消耗小，響應(yīng)時間小于1ms，頻率寬度可達(dá)820kHz。達(dá)到了通過對冷卻劑的流量控制，使系統(tǒng)在分布式冷卻過程中達(dá)到較高的溫度穩(wěn)定性和較小的溫度梯度。
2.2 改變流阻
圖3所示是荷蘭特文特大學(xué)開發(fā)的一種用于調(diào)節(jié)氣體流量的常閉式壓電閥。它通過由金屬銷串接起來的壓電致動器驅(qū)動凸臺周圍的硅膜的偏斜來控制閥的流量。閥座和中間孔的一層是由硅材料做成的可變電阻層，而在其下方還含有一塊形為方格形渠道的靜態(tài)電阻層。氣體從輸入口進(jìn)入方格形渠道，再通過中間孔到達(dá)閥座，在閥座上層的環(huán)繞于凸臺周圍的硅膜偏斜大小的控制下來改變氣體流量。圖4顯示了該閥使用可變電阻與靜態(tài)電阻相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了對流量的精確控制。實(shí)驗(yàn)空氣流量測試顯示，該壓電閥在壓力差為4bar的情況下，流量可以達(dá)到250mL/min。在閥門操作的任何階段都可獲得連續(xù)可控的氣體流量，整個過程中幾乎沒有滯后現(xiàn)象出現(xiàn)，并且功率消耗也很低。
其他方式的研究
圖5和圖6所示是日本開發(fā)的一種通過外部結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)流量精確控制的壓電微閥矩陣。如圖6所示，單個的壓電微閥通過壓電片收縮來改變氣口大小，從而改變氣口閥蓋的吻合度，實(shí)現(xiàn)閥的通、斷功能。壓電微閥矩陣就是由很多個這樣的被獨(dú)立控制的壓電微閥所組成的。壓電微閥矩陣可以平均單個微閥所造成的誤差，將整個系統(tǒng)的誤差減小，可以相當(dāng)容易地通過反饋控制來增加(或減少)通（或斷）狀態(tài)的閥的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)精確控制，并且壓電閥矩陣所能控制的流量范圍與其所含的單個壓電微閥個數(shù)成正比。這是與傳統(tǒng)的通過改變壓電閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者材料來改善其性能的方式完全不同的研究方向。其中單個的壓電微閥結(jié)構(gòu)非常簡單，但是通過數(shù)量的組合就能在整體上實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制。由于壓電片的尺寸非常小，要控制壓電片收縮所導(dǎo)致的氣口大小與閥蓋大小不容易剛好吻合，在實(shí)際的設(shè)計當(dāng)中還應(yīng)當(dāng)注意壓電片所采用的材料，并對其進(jìn)行比較全面的仿真分析和大量的實(shí)驗(yàn)研究。
在應(yīng)用方面，壓電閥被應(yīng)用到了非常廣泛的領(lǐng)域，其中涉及航空航天、臨床醫(yī)學(xué)、醫(yī)藥化學(xué)、微機(jī)電制造等領(lǐng)域。如應(yīng)用于臨床檢測的自推進(jìn)式內(nèi)窺鏡操縱器中的壓電閥可以滿足在高壓環(huán)境下工作的需求，同時還滿足系統(tǒng)對閥的小尺寸需求，設(shè)計者將壓電閥的工作環(huán)境改為硅酮油以延長壓電致動器的工作壽命，并結(jié)合特殊的結(jié)構(gòu)方式為患者提供了很好的安全檢測環(huán)境；壓電閥在航天器混合冷氣式微型噴氣發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用中，解決了熱膨脹系數(shù)問題并將PZT器件老化的可能降到最低；在RFX進(jìn)氣系統(tǒng)中，對原有壓電閥進(jìn)行了氣路修正，改善了該壓電閥的性能。另外，壓電閥還被應(yīng)用于燃油箱的結(jié)構(gòu)中、藥物輸送系統(tǒng)中、自注入式的微創(chuàng)技術(shù)中等。
3 國內(nèi)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀
壓電閥在國內(nèi)的研究和使用相對于國外來說要稍落后一些。隨著液、氣壓系統(tǒng)對控制精度、響應(yīng)速度、功耗等要求越來越高，壓電閥在國內(nèi)更多地方被應(yīng)用和研究，也出現(xiàn)了一些國內(nèi)自主研發(fā)的壓電閥，下面介紹一些具有代表性的研究成果和應(yīng)用。
3.1 噴嘴擋板式壓電閥
國內(nèi)對噴嘴擋板式壓電閥進(jìn)行了較多的研究，圖7是一種噴嘴擋板式氣體壓電閥，它針對其中的柔性鉸鏈擋板進(jìn)行了設(shè)計和動力學(xué)分析，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該壓電閥響應(yīng)時間為10ms的較快響應(yīng)速度，并且其允許工作壓力和輸出流量都較大，解決了當(dāng)前氣體壓電閥普遍存在的工作壓力低、輸出流量小的問題。
3.2 壓電開關(guān)閥
國內(nèi)對壓電開關(guān)閥的研究也較多。浙江大學(xué)在2008年提出一種新型壓電開關(guān)閥結(jié)構(gòu)，利用壓電晶體高頻響、高輸出力的特性，采用3個壓電晶體執(zhí)行器使閥芯在高壓下高速的打開和關(guān)閉（如圖8所示），結(jié)合了數(shù)字閥的功能，很好地解決了壓電晶體輸出位移過小的問題，并且針對壓電晶體溫度效應(yīng)的問題對其進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。作者對這種壓電高速開關(guān)閥建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果顯示此種壓電高速開關(guān)閥可以實(shí)現(xiàn)200Hz的高速響應(yīng)頻率、20MPa高壓的工作壓力、11L/min大流量的開啟和關(guān)閉。
1-閥體；2-壓電堆驅(qū)動器；3-柔性鉸鏈擋板；4-壓力彈簧；5-密封薄片；6-進(jìn)氣噴嘴；7-出氣口；8-進(jìn)氣口；9-微調(diào)
3.3 微流體壓電主動控制閥
圖9和圖10是重慶大學(xué)在2008年提出的一種采用圓盤型壓電振子作為致動元件的微流體主動控制閥，它通過控制圓盤形的壓電致動元件來改變與其周邊的過流間隙，實(shí)現(xiàn)對微量流體的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該微流體主動控制閥可以實(shí)現(xiàn)對流量的連續(xù)控制，在壓電致動元件控制電壓一定的條件下，可以使閥的流量與進(jìn)出口壓差呈現(xiàn)一定的關(guān)系。
3.4 其他壓電式直動閥
國內(nèi)的研究還有很多集中在壓電直動閥上，下面主要介紹兩個比較典型的例子。
圖11是吉林大學(xué)研制的一種由壓電陶瓷直接驅(qū)動的伺服閥。研制者針對其柔性鉸鏈進(jìn)行了有限元分析，并測試了這種伺服閥的幅頻特性，（如圖12所示），頻寬為650Hz，靜態(tài)特性在閉環(huán)控制下為滯環(huán)小于1%，分辨率小于0.03%，抗污染能力強(qiáng)。另外，由于用PZT材料的逆壓電器件代替力矩馬達(dá)，所以響應(yīng)時間非常短；替代了電磁元件，對外界不產(chǎn)生電磁干擾；位移輸出極高，可以完全滿足現(xiàn)代精密高速控制系統(tǒng)的需要。
放大原理的直動式壓電伺服閥。杠桿式的位移放大機(jī)構(gòu)位于整個閥體和其上方的壓電疊堆的同側(cè)，使它們的運(yùn)動方向平行，也同時使閥體的結(jié)構(gòu)較為緊湊。當(dāng)壓電疊堆伸長使輸入位移為Di時，通過柔性鉸鏈放大杠桿放大到輸出端，位移變?yōu)镈0傳遞至閥芯，再推動彈性回復(fù)板實(shí)現(xiàn)滑閥的移動。在壓電疊堆剛性滿足動態(tài)性能要求的條件下，系統(tǒng)的動態(tài)性能的高低取決于彈性回復(fù)板的剛度，剛度越高，系統(tǒng)響應(yīng)的建立時間越短，其響應(yīng)速度越快。
3.5 國內(nèi)主要應(yīng)用領(lǐng)域
壓電閥在國內(nèi)的應(yīng)用涉及到很多的領(lǐng)域，近年來主要集中在對智能閥門定位器的研究上，如對智能閥門定位器的自主設(shè)計、智能閥門定位器在V型濾池中的應(yīng)用、智能閥門定位器在氣動執(zhí)行器上的應(yīng)用等；在托克馬實(shí)驗(yàn)中作為送氣閥的壓電閥在控制準(zhǔn)確送氣量的性能上的研究，主要針對壓電閥在該實(shí)驗(yàn)中的送氣率和脈沖送氣特性進(jìn)行了相關(guān)的研究和測試。另外，國內(nèi)還對壓電閥在壓強(qiáng)和流量方面的控制進(jìn)行了一定的研究。
4 發(fā)展趨勢
壓電閥本身具有尺寸小、響應(yīng)速度快、精度較高、容易控制等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展方向?qū)⒃絹碓节呄蛴谖⑿突�、精確化、智能化，它將更多地應(yīng)用于微流控、精密機(jī)械和智能控制等技術(shù)中。如在臨床所需的檢測設(shè)備或者是臨床治療的手術(shù)設(shè)備當(dāng)中，壓電閥可以滿足所需尺寸較小、工作環(huán)境特殊的要求，能達(dá)到控制精確，工作風(fēng)險低的目的，既能提高臨床治療的成功率，又能減少患者痛苦。同樣，這些特點(diǎn)也能應(yīng)用于航空航天、醫(yī)藥、微制造科技等領(lǐng)域，使應(yīng)用系統(tǒng)更加的可靠、精密、可控，甚至向微型化、智能化發(fā)展。對于壓電閥本身結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境以及材料的進(jìn)一步研究也許能將壓電閥更多地應(yīng)用到現(xiàn)代科技的前沿領(lǐng)域。壓電閥在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中具有很大的發(fā)展?jié)摿�，并且將被更廣泛的應(yīng)用。
調(diào)節(jié)閥作為液氣壓系統(tǒng)中的重要元件，實(shí)現(xiàn)對流體壓力、流量和流向的控制，直接影響著液氣壓系統(tǒng)的工作過程和工作性能。隨著液氣壓技術(shù)從傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域向空間、信息和生物醫(yī)學(xué)等新技術(shù)領(lǐng)域的不斷拓展，對液氣壓系統(tǒng)的尺寸、控制精度、響應(yīng)速度和可靠性等各個方面都提出了更高的要求。傳統(tǒng)的控制閥較難滿足這樣的要求，因此對于閥的革新成為了國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的研究開發(fā)熱點(diǎn)。
壓電閥是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)閥的動作的一種新型控制閥。相對于傳統(tǒng)的閥來說，它具有精度高、響應(yīng)快、功耗小、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。已在一些需要精確控制的液壓或氣動系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，具有很大的應(yīng)用價值和應(yīng)用潛力。將對壓電閥的工作原理及其在國內(nèi)外的研究應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對壓電閥的發(fā)展趨勢做了展望。
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