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压电技术及其在气动领域中的应用
贺尔碧格（无锡）自动化技术有限公司刘涛
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。

图1图2
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。
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。

图3图4
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。

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
【3】贺