Пьезоэлементы — это электромеханические преобразователи, которые преобразуют механические силы (давление, растягивающее напряжение или ускорение) в электрическое напряжения. Обратный пьезоэлектрический эффект, как раз наоборот, заставляет пьезоэлементы изменять форму при приложении к ним напряжения. Это позволяет им генерировать механическое движение и использоваться в качестве осцилляторов.
Пьезоэлектрический эффект (от греческого слова «давление») был открыт в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри, последний был мужем Марии Кюри. Они обнаружили, что некоторые материалы, обычно керамика с проводящими поверхностями, преобразуют электрическую энергию в механическую и наоборот.
Используя сильные электрические поля, инженеры могут придать керамике пьезоэлектрические свойства, которые заставят ее менять форму при приложении напряжения. Эти изменения формы могут быть использованы для питания привода и созданы практически с нулевым потреблением энергии. Это одно из преимуществ пьезоэлектрических клапанов и приводов.
С точки зрения электричества, пьезоэлемент — это конденсатор, состоящий из двух электропроводящих пластин, а керамический пьезоэлемент между ними действует как диэлектрик. Ток протекает только во время зарядки конденсатора, а когда зарядка завершена, ток падает до нуля. Электрическая мощность рассчитывается как напряжение, умноженное на ток, поэтому мощность равна нулю, если ток больше не течет. В приложениях, которые должны быть чрезвычайно энергоэффективными, можно даже восстановить энергию зарядки при сбросе привода, а затем снова использовать ее для следующей операции зарядки.
Типы и версии пьезопреобразователей
В зависимости от потребностей пьезоэлементы могут быть преобразованы в несколько типов: дисковые преобразователи, с гибочным приводом (bender actuators) или пьезоэлектрические блоки.
Гибочные приводы имеют прямоугольную форму с куском пьезокерамического материала, обе поверхности которого выполнены проводящими. Эта деталь также прикреплена с одной стороны к проводящей подложке. Один конец гибочного привода обычно фиксируется, поэтому движение преобразуется в движение изгиба.
Гибочные системы могут быть спроектированы с учетом диапазона возможных сил и движений, и они хорошо подходят для использования в пневматических клапанах. Типичные характеристики включают прогиб в несколько десятых миллиметра и силы до 1 Н.
Один из вариантов силового фиксирующего устройства называется триморф. Он имеет второй керамический слой между подложкой. Это увеличивает его производительность и позволяет ему работать в более широком диапазоне температур благодаря его симметрии.
Гибочные привода используются в кругловязальных машинах, считывающих устройствах для людей с плохим зрением (модули Брайля) и пневматических клапанах, особенно пропорциональных клапанах для регулирования давления и расхода.
Дисковый преобразователь состоит из тонкого керамического диска, прикрепленного к металлической подложке. Для создания электрического поля плоская поверхность на верхней поверхности диска должна быть металлизирована. Если напряжение приложено к верхней поверхности и керамическому диску, керамика расширяется, и диск становится толще с уменьшением в диаметре. В целом, диск изгибается сферически, что позволяет использовать его в высокочастотных динамиках, датчиках, микронасосах, вентиляторах и генераторах ультразвука, которые часто используются в автомобильных датчиках расстояния.
Пакетные преобразователи (пьезоэлементы) представляют собой башни из установленных друг на друга пьезодисков, соединенных механически последовательно, но электрически параллельно. В отличие от дисковых преобразователей, операция запускается не изгибом композитного материала, а за счет расширения в направлении поля. Это позволяет выполнять только короткие ходы — максимум 0,2% от общей высоты — но с приводными силами до нескольких килоньютонов. Пакетные преобразователи можно найти в жидкостных клапанах, таких как те, которые используются в дизельных топливных форсунках и микропозиционировании.
Работа пьезоклапанов
Пьезоэлементы в виде гибочных приводов широко используются в пневматических клапанах. Характеристики пьезоклапана зависят от напряженности его электрического поля: чем больше напряженность поля, тем лучше работают привод и клапан.
Энергию включения E можно приблизительно рассчитать по формуле E = CU² / 2, где C — емкость преобразователя, а U — управляющее напряжение. Значения обычно находятся в диапазоне от 0,5 до 5 мВт, а емкость преобразователя обычно составляет около 30 нФ при управляющих напряжениях до 300 В постоянного тока. Энергия включения пьезоклапанов всегда указывается в милливатт-секундах. В отличие от соленоидных клапанов, здесь невозможно указать мощность в ваттах.
Когда пьезоклапан был выключен и подача электроэнергии прервана, клапан остается включенным, потому что носители заряда не могут «просто исчезнуть». Для сброса клапана необходимо снять заряд преобразователя. Это можно сделать, используя буферное хранилище в другой системе (рекуперация энергии) или преобразовывая энергию в тепло (короткое замыкание). Вот почему для управления клапаном требуется переключатель режима вместо двухпозиционного переключателя.
В мире пневматических клапанов с электрическим управлением соленоидные клапаны являются абсолютным стандартом с долей рынка почти 100%. Тем не менее, пьезоклапаны обладают множеством преимуществ перед соленоидами и открывают совершенно новые области применения.
- Низкое энергопотребление и отсутствие тепловыделения. Благодаря использованию емкостного принципа пьезоклапаны практически не требуют энергии для поддержания активного состояния. Они также не выделяют тепла, если не используются высокочастотные регуляторы.
- Пьезотехнология идеально подходит для устройств с питанием от аккумуляторов или батареек. По сравнению с соленоидными клапанами, пьезоэлектрические версии увеличивают срок службы аккумуляторной батареи в семь и более раз.
- Искробезопасность — это термин, описывающий уровень защиты, необходимый для оборудования, которое будет работать в потенциально взрывоопасных средах. Электрическая система является искробезопасной, если большая часть энергии, которую она может хранить, не может вызвать воспламенение атмосферы в случае неисправности. Пьезоклапаны могут удовлетворить это требование.
- Скорость переключения играет более важную роль в современных высокоскоростных приложениях, таких как системы сортировки. Пьезоклапаны идеальны, поскольку они могут быть невероятно быстрыми, легко достигая субмикросекундного диапазона.
- Антимагнитный. Пьезоклапаны работают, несмотря на сильные магнитные поля, такие как аппараты близкие к магнитно-резонансной томографии (МРТ).
- Минимальный вес благодаря корпусу, сделанному в основном из пластика, практически без железа и меди. Более легкое оборудование всегда более портативно.
- Низкие затраты при больших объемах. Пьезоклапаны могут производиться серийно, если требуются большие партии. Например, зажигалки с пьезозажиганием доступны по низкой цене.
- Долгий срок службы. Приводы с пьезоклапанами могут выдерживать необычно большое количество рабочих циклов, если они хорошо спроектированы. Они состоят из единственного твердотельного рабочего компонента без других изнашиваемых частей, подверженных трению.
Промышленное применение
Управление потоками
В некоторых приложениях используются регуляторы расхода с постоянным массовым расходом в течение длительных периодов времени. Типичные примеры включают создание искусственных атмосфер, таких как те, которые требуются при производстве полупроводников, вначале для покрытия и в конце для соединения. Этот тип нагрузки легок для пьезоклапана, поскольку он предполагает установившееся состояние практически без потребления энергии. Но это будет чрезвычайно большая нагрузка для переключающего клапана с широтно-импульсной модуляцией — как с точки зрения энергии, так и с точки зрения механики.
Работа с хрупкими деталями
Одним из методов перемещения чувствительных деталей является «регулятор скорости» для пневматических цилиндров двойного действия. Это позволяет пневматическому цилиндру совершать движения без рывков с регулируемой скоростью. Требуются четыре пьезоклапана, подключенные к контроллеру, чтобы сформировать систему, которая может быть подключена к цилиндру двойного действия. Скорость регулируется путем поддержания постоянного расхода выхлопных газов цилиндра. Эта недорогая система не требует дорогостоящего датчика перемещения и может выполнять плавный пуск и торможение.
Нанесение клеящих слоев
Чтобы предотвратить образование капель после нанесения клея пневматическим способом, после нанесения заранее определенного количества клея создается вакуум. Это требует замеров при сборке мелких деталей.
Обычные аппликаторы, как правило, работают с двумя клапанами: один для создания вакуума, второй для создания положительного давления. Пьезоклапаны намного точнее, быстрее и эффективнее, управляя давлением и вакуумом с помощью одного клапана.
Шлифовка и печать
Пьезоклапаны обладают высокой точностью и могут быстро достигать предварительно выбранных уставок. Это делает их идеальными для применения в изготовлении полупроводников, где существует большая потребность в точном дозировании небольших количеств воздуха для точной обработки деталей. Например, при шлифовке пластин каждая пластина должна прижиматься к вращающемуся полировальному столу с точно регулируемым давлением. На одном этапе процесса несколько колец диафрагмы прижимаются к пластинам с разной силой. Эти кольца необходимо точно контролировать в отношении вакуума и давления. Пьезоклапаны объединяют обе эти функции в одном компактном клапане.
Аппараты ИВЛ
Мобильные аппараты ИВЛ для медицинских целей должны быть легкими, компактными и длительное время работать от аккумулятора. Многие пациенты зависят от этих устройств для получения кислорода, поэтому аппарат должен производить как можно меньше шума. Пьезоклапаны уже используются в этих машинах из-за их долговечности, точности, небольших размеров и потребляемой мощности, а также бесшумной работы.
Хирургическая офтальмология
Пьезоклапаны управляют инструментами с пневматическим приводом, используемыми в хирургии катаракты, одной из наиболее распространенных хирургических процедур. Эта операция является единственным методом лечения катаракты, прогрессирующего или возрастного помутнения хрусталика глаза. Во время операции помутневший хрусталик пациента удаляется и заменяется искусственной интраокулярной линзой (ИОЛ).
Используемые хирургические инструменты имеют пневматическое управление. Пьезоклапаны регулируют давление и вакуум и имеют решающее значение для работы с различными жидкостями, включая водянистую влагу (естественную жидкость в глазу) и растворы-заменители (инфузии). Пьезоклапаны точно дозируют и регулируют поток при замене водянистой влаги.
Комфорт кресел в автомобилях
Пьезоклапаны — это тяжелая работа, которая бесшумно заполняет и опорожняет воздушные подушки под водителями и пассажирами. Это делает поездку более комфортной. Воздушные камеры, встроенные в боковые панели и спинки сидений, заполняются в соответствии с дорожной ситуацией. Изменение давления воздуха, подаваемого на различные надувные подушки, зависит от угла поворота, бокового ускорения и скорости движения. Например, система увеличивает давление в воздушных камерах с правой стороны спинки при поворотах влево.
Благодаря обширному списку свойств пьезоклапаны находят новое применение в новых и старых продуктах.
Разнообразие пьезоэлектрических вентилей
Пьезоэлектрические вентили универсальны и могут выполнять широкий спектр функций. Вот несколько примеров от Festo Corp.
2/2-ходовой клапан VEMR
Эти клапаны имеют сменные вкладыши седла, что позволяет использовать их в самых разных областях, поскольку их давление и скорость потока определяются диаметром седла. Например, в устройствах ИВЛ клапаны VEMR контролируют подачу и дозирование кислорода во время ингаляции. Комбинация клапана VEMR с датчиком потока создает пропорциональный регулирующий вентиль. Два клапана VEMR могут использоваться с дополнительным датчиком давления и управляющей электроникой в качестве пропорционального вентиля регулирования давления.
3/3-ходовой клапан VEMC или VEMP
Эти вентили известны как клапаны с датчиком зазора. Они включают в себя специальный механизм, который использует дифференциальные перемещения для компенсации ошибок, связанных с температурой. VEMC и VEMP используются в медицинских дренажных устройствах, но также могут использоваться в качестве переключающих вентилей для выбора между двумя различными скоростями потока. Клапаны VEMC и VEMP можно комбинировать с датчиком потока и электронным управлением для создания пропорционального регулятора давления.
3/3-ходовой клапан VEAA
Этот вентиль, также известный как клапан качающегося преобразователя, имеет триморфный преобразователь, который позволяет ему двигаться в двух направлениях, таким образом закрывая порт P или R. Его диапазон давления подачи вакуума достигает 12 бар, что делает его хорошо подходящим для промышленных приложений с регулировкой давления.
Пропорциональный регулятор давления с прямым управлением VEAB
Это полноценные пропорциональные клапаны, которые обеспечивают выходное давление через встроенный электронный блок с датчиком давления. Уставка может быть указана как напряжение от 0 до 5 В или от 0 до 10 В, или как ток от 4 до 20 мА. Клапан также генерирует опорный сигнал в том же диапазоне. Вентиль компактен с расходом около 20 литров в минуту, имеет время отклика менее 10 мсек, очень точен при регулировании давления, потребляет мало энергии и не издает шумов при переключении.
