傳感器和執行器構成了過程和制造行業中現代儀表系統的支柱。傳感器是充當機器眼睛和耳朵的輸入設備，而執行器是使物體移動的輸出設備。致動器本質上是一種機械或機電設備，它響應控制刺激產生運動。

在典型的控制系統中，傳感器向微控制器提供信息，并根據此信息激活執行器。這一系列操作是所有工業控制、儀器儀表和自動化系統的基礎。通過下圖可以更好地理解此機制：

圖 1：簡單的控制系統

典型的執行器需要兩種類型的信號：1）控制信號2）電源信號。控制信號告訴執行器何時以及在多大程度上產生運動，而電源信號用于保持設備通電。根據電源的類型，執行器可分為三類：

水力的

氣動

機電

液壓和氣動執行器是機械型設備，而機電執行器使用電能。有許多不同類型的機電致動器，但在本文中，我們將重點介紹 KEMET 的多層壓電致動器。

什么是壓電促動器？

在討論壓電促動器之前，了解壓電的概念很重要。某些材料響應機械應力產生電壓的能力稱為壓電。對壓電材料施加機械應力將在材料的輸出端產生電壓。相反，對壓電材料施加輸入電壓會導致輸出端的機械運動，例如聲音、振動或位移。壓電現象如下圖所示：

圖2：壓電現象

利用壓電原理，可以構建各種類型的電氣和電子設備，包括傳感器和執行器。根據其結構，壓電促動器有兩種類型：1）單層促動器2）多層促動器。

單層和多層壓電致動器的比較

顧名思義，單層壓電促動器由單個壓電元件制成，而多層壓電促動器由堆疊在一起的多層壓電材料組成。下圖顯示了兩種類型的執行器：

圖 3：單層與多層壓電執行器

多級壓電致動器在相同施加的電壓下提供更廣泛的力和位移。這是因為壓電元件的堆疊會產生乘法效應。單層壓電致動器在1kV時產生1μm位移。相比之下，多層壓電致動器在100V時產生100μm位移。因此，多級壓電致動器在100倍的電壓下產生10倍的力。這些數字證明這兩種類型的執行器的性能差異是巨大的。具有高力大小的低工作電壓擴展了壓電執行器的功能，使其適用于更廣泛的控制應用。KEMET 的多級壓電致動器中使用的陶瓷材料是 PZT（鋯鈦酸鉛）。

壓電促動器與電磁促動器相比如何？

機電致動器的構造有兩種主要技術：1）電磁學2）壓電性。壓電致動器在力輸出、精度、響應時間、效率、控制和尺寸方面優于電磁促動器。下圖顯示了這兩種執行器技術的比較：

圖4：電磁和壓電致動器的比較

從比較中可以清楚地看出，壓電促動器在力、精度、響應時間、控制和尺寸方面具有出色的性能。這些致動器落后于電磁致動器的唯一領域是位移。電磁致動器產生的位移在幾毫米的范圍內，而壓電致動器產生的位移為幾微米量級。然而，隨著多級壓電致動器技術的進步，預計位移響應會隨著時間的推移而變得更好。

KEMET 壓電執行器如何更好？

仔細看看KEMET 壓電執行器揭示了與傳統壓電促動器相比的一些關鍵結構變化。主要區別在于電極的位置和結構。傳統的壓電致動器具有部分內部電極，而KEMET壓電致動器具有完整的內部電極。部分內部電極承受機械應力的能力較低，因此它們很容易破裂或斷裂。相反，全內部電極表現出高可靠性、耐用性和高效性能。傳統和KEMET壓電致動器的電極結構差異如下圖所示：

圖 5：KEMET 與傳統壓電致動器的比較

KEMET 壓電執行器產品

KEMET 提供各種多級壓電執行器，涵蓋廣泛的工業和商業應用。KEMET 的多級壓電執行器分為兩大類：

樹脂涂層型執行器

金屬外殼型執行器

樹脂涂層致動器是具有薄白色涂層的標準型致動器。此類別有兩個產品系列，即 AE 和 AER。AE系列由矩形外形的標準型致動器組成，而AER 系列由環型樹脂涂層致動器組成。

金屬外殼類型類別由三個產品系列組成，即ASB,阿斯利和AHB.這些是具有更高熱額定值的高性能執行器。ASL 系列提供高達 150 的熱額定值oC. AHB 系列提供 85 的熱額定值oC具有更高的排量。

圖 6：KEMET 執行器產品

圖7：金屬型壓電執行器的構造

多級壓電促動器的應用

多級壓電促動器可用于廣泛的應用。這些高性能執行器的一些主要應用包括：

精密加工和位置控制系統（XY載物臺、零件送料機、針織機）

半導體組裝和制造（質量流量控制器、步進電機和納米印刷機）

光學儀器（鏡頭定位、自動對焦顯微鏡）

儀器儀表（振動控制、控制閥、測試儀器）

結論

機械和機電執行器是所有類型的儀表和控制系統的重要組成部分。壓電致動器是將電能轉換為機械運動的機電致動器。KEMET 多級壓電促動器與單層和傳統壓電促動器相比具有許多優勢。它們具有卓越的精度、響應時間、效率和控制特性。因此，它們非常適合需要高精度、準確度和高效率的應用。所以不要再等了。

審核編輯：郭婷