1 前言
阀作为液气压系统中的重要元件，实现对流体压力、流量和流向的控制，直接影响着液气压系统的工作过程和工作性能。随着液气压技术从传统应用领域向空间、信息和生物医学等新技术领域的不断拓展，对液气压系统的尺寸、控制精度、响应速度和可靠性等各个方面都提出了更高的要求。传统的控制阀较难满足这样的要求，因此对于阀的革新成为了国内外科研机构和企业的研究开发热点。
压电阀是利用压电材料的压电效应来实现阀的动作的一种新型控制阀。相对于传统的阀来说，它具有精度高、响应快、功耗小、寿命长、结构紧凑、环保节能等优点。已在一些需要精确控制的液压或气动系统中得到了应用，具有很大的应用价值和应用潜力。本文将对压电阀的工作原理及其在国内外的研究应用现状进行分析，并对压电阀的发展趋势做了展望。
2 压电阀工作原理
压电阀最早出现在20世纪90年代SIEMENS公司推出的SPIARTPS智能阀门定位器中。它利用压电晶体的逆压电效应，在实际应用当中具有高抗震性、高可靠性、低功耗、节能等特点，完全能满足智能阀门定位器对电气—机械转换单元的要求。
图1是比较早期喷嘴挡板式压电阀的结构图，主要由挡板、压电叠堆及背压室组成。工作时，先给压电叠堆一定的初始电压。当给压电叠堆1增加电压，同时给压电叠堆2减少电压时，挡板将做逆时针转动；当给压电叠堆1减少电压，而同时给压电叠堆2增加电压时，挡板将做顺时针转动。这样就会因为电压的控制而改变挡板与左、右喷嘴之间的距离，从而达到输出口压力变化，实现对系统的有效控制。
3 国外研究与应用现状
近年来，国外研究者通过改变压电阀的材料和结构，并结合先进的控制和传感技术，达到扩大流量调节范围、实现精确流量控制、加快响应速度和减小功率消耗等目的，尤其是针对在一些特殊场合和条件下应用的压电阀进行了研究。
3.1 改变压电阀内部结构形式
图2所示是美国研制的应用于低温试验的压电微型阀的结构简图。此压电微阀的主体由一块绝缘硅印模片和作为致动器的压电陶瓷叠堆组成。PZT堆叠驱动绝缘硅印模片，从而改变与输入输出口所在的派勒克斯耐热玻璃片之间距离而完成对流量的控制。在其外部有一块尺寸为1×1×1cm3的微型集成陶瓷封装，它所具有的零孔隙量能保证在真空环境里没有泄漏，并且与环氧树脂相结合能给整个阀提供一个完全密封的环境。该阀的特点之一在于在绝缘硅印模片朝向耐热玻璃片的一面刻印了许多50μm宽、120μm深、周长为127mm的蛇形凹槽，增加了有效的通流面积，即增加了可提供的流量范围。并且在具有凹槽的方形硅片的四个方向使用了4条弯曲的蟹型腿做为支撑，保证了有效的支撑和硅片的压电制动器的驱动下的灵活运动。实验中，在室温时该压电微阀的调节能力范围能高出同尺寸阀的几个数量级；当温度为80K或380K时，输入压力高于大气压104kPa的情况下，能成功的将流量从380mL/min调节到20mL/min。并且在工作过程中功率消耗小，响应时间小于1ms，频率宽度可达820kHz。达到了通过对冷却剂的流量控制，使系统在分布式冷却过程中达到较高的温度稳定性和较小的温度梯度。
3.2 改变流阻
图3所示是荷兰特文特大学开发的一种用于调节气体流量的常闭式压电阀。它通过由金属销串接起来的压电致动器驱动凸台周围的硅膜的偏斜来控制阀的流量。阀座和中间孔的一层是由硅材料做成的可变电阻层，而在其下方还含有一块形为方格形渠道的静态电阻层。气体从输入口进入方格形渠道，再通过中间孔到达阀座，在阀座上层的环绕于凸台周围的硅膜偏斜大小的控制下来改变气体流量。图4显示了该阀使用可变电阻与静态电阻相结合的方法实现了对流量的精确控制。实验空气流量测试显示，该压电阀在压力差为4bar的情况下，流量可以达到250mL/min。在阀门操作的任何阶段都可获得连续可控的气体流量，整个过程中几乎没有滞后现象出现，并且功率消耗也很低。
