智能器件zhang

1、1智能器件智能器件 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2【本章學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握：掌握：n典型傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件和控制元件的結(jié)構(gòu)原典型傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件和控制元件的結(jié)構(gòu)原理、分類與應(yīng)用。理、分類與應(yīng)用。 了解：了解：n傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件和控制元件的功能、性能傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件和控制元件的功能、性能指標(biāo)與特點(diǎn)。指標(biāo)與特點(diǎn)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)3【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)知識(shí)要點(diǎn)能力要求能力要求相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)傳感元件傳感元件了解傳感元件的功能、性能指標(biāo)與了解傳感元件的功能、性能指標(biāo)與特點(diǎn)，掌握光纖傳感器，壓電傳特點(diǎn)，掌握光纖傳感器，壓電傳感器和電阻應(yīng)變絲等典型傳感元感器和電阻應(yīng)變絲等典型傳感元件的結(jié)構(gòu)原理、分類

2、與應(yīng)用件的結(jié)構(gòu)原理、分類與應(yīng)用傳感器傳感器驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)元件了解驅(qū)動(dòng)元件的功能、研究內(nèi)容、了解驅(qū)動(dòng)元件的功能、研究內(nèi)容、性能要求和種類。掌握壓電陶瓷性能要求和種類。掌握壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、電致伸縮傳動(dòng)器等驅(qū)動(dòng)元件的結(jié)電致伸縮傳動(dòng)器等驅(qū)動(dòng)元件的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用。構(gòu)原理與應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器控制元件控制元件了解控制元件的功能與典型應(yīng)用了解控制元件的功能與典型應(yīng)用控制器，調(diào)節(jié)器，控制器，調(diào)節(jié)器，繼電器繼電器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)4學(xué)時(shí)安排建議學(xué)時(shí)：建議學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)1 傳感元件（傳感元件（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）2 驅(qū)動(dòng)元件（驅(qū)動(dòng)元件（ 2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）3 控制元件（控制

3、元件（ 2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)51.智能器件智能點(diǎn)鈔機(jī)張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)61.智能器件臺(tái)凌智能變頻器 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)71.智能器件智能功率器件智能功率器件張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)81.智能器件智能型干式電容器智能型干式電容器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)91.智能器件1.1 傳感元件1.2 驅(qū)動(dòng)元件1.3 控制元件張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)10觸摸屏是怎么感知的？觸摸屏是怎么感知的？1.1傳感元件傳感元件張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)11使用者翻動(dòng)手機(jī)選擇使用者翻動(dòng)手機(jī)選擇“響鈴響鈴”或或“震鈴震鈴”；搖晃手機(jī)變換不同的鈴聲和搖晃手機(jī)變換不同的鈴聲和游戲；游戲；音樂和壁紙隨著人們的動(dòng)作音樂

4、和壁紙隨著人們的動(dòng)作而變化。而變化。搖晃你的手機(jī)搖晃你的手機(jī) 傳感器傳感器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)12身邊的傳感器身邊的傳感器CCD熱敏電阻熱敏電阻傳聲器傳聲器溫控器溫控器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)13力傳感器力傳感器溫度開關(guān)溫度開關(guān)張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)14實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)室的傳感器傳感器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)151.1傳感元件傳感元件對(duì)傳感元件的要求是：對(duì)傳感元件的要求是：n(1)尺寸要小，而且薄，不影響結(jié)構(gòu)的外形；尺寸要小，而且薄，不影響結(jié)構(gòu)的外形；n(2)應(yīng)和原結(jié)構(gòu)材料能很好耦臺(tái)，對(duì)原結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的應(yīng)和原結(jié)構(gòu)材料能很好耦臺(tái)，對(duì)原結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的影響較?。挥绊戄^??；n(3)性能穩(wěn)定可靠；性能穩(wěn)定可靠

5、；n(4)傳感的覆蓋面要寬傳感的覆蓋面要寬n(5)頻率響應(yīng)要寬；頻率響應(yīng)要寬；n(6)能和結(jié)構(gòu)上其他電氣設(shè)備兼容；能和結(jié)構(gòu)上其他電氣設(shè)備兼容；n(7)受外界干擾要小，受外界干擾要小，n(8)能在結(jié)構(gòu)的使用溫度及濕度范圍內(nèi)正常工作。能在結(jié)構(gòu)的使用溫度及濕度范圍內(nèi)正常工作。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)161.1傳感元件傳感元件表表3-1 常用傳感材料的部分性能指標(biāo)及特點(diǎn)常用傳感材料的部分性能指標(biāo)及特點(diǎn)類型項(xiàng)目壓電陶瓷壓電薄膜光纖電阻應(yīng)變元件半導(dǎo)體元件靈敏度/(mV/10-6)20100.031頻帶/Hz0.11040.11040.110401040104標(biāo)距/m1.0161.0161.0162.0320

6、.762輔助設(shè)備通用通用通用通用通用測量參數(shù)應(yīng)變，壓力加速度，超聲波應(yīng)變，壓力加速度，超聲波應(yīng)變，溫度速度，振動(dòng)應(yīng)變，壓力應(yīng)變，壓力，加速度，溫度，光電信號(hào)主要特點(diǎn)靈敏度高，頻響特性好，線性度好，性能穩(wěn)定柔韌性好，耐腐蝕，密度低，厚度可以做到十幾微米，可制成任意形狀和尺寸抗電磁干擾能力強(qiáng)，對(duì)基體強(qiáng)度影響小，頻帶寬，靈敏度高，能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠用于分布測量，可在高低溫及有害壞境下工作性能穩(wěn)定，技術(shù)成熟，價(jià)格低，埋入基體材料對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響小能夠制成與基體材料融為一體薄片，尺寸小，易模塊化存在問題脆性大，抗沖擊能力差，易受電磁干擾使用溫度范圍很小，與基體結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合強(qiáng)度不高穩(wěn)定性和重復(fù)性需提高，

7、設(shè)備成本高、費(fèi)用大輸出信號(hào)小，易受干擾，使用溫度范圍較小使用溫度范圍小張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)17主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1.1.1光纖傳感器光纖傳感器1.1.2電阻應(yīng)變絲電阻應(yīng)變絲1.1.3壓電傳感器壓電傳感器1.1.4疲勞壽命計(jì)疲勞壽命計(jì)1.1.5碳纖維水泥石壓敏傳感器碳纖維水泥石壓敏傳感器1.1.6半導(dǎo)體傳感元件半導(dǎo)體傳感元件張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)181.1.1光纖傳感器光纖傳感器光纖是最先應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)的傳感元件光纖是最先應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)的傳感元件 。光導(dǎo)纖維是利用兩種介質(zhì)面上光的全反射原理制光導(dǎo)纖維是利用兩種介質(zhì)面上光的全反射原理制成的光導(dǎo)元件。成的光導(dǎo)元件。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n對(duì)電磁干擾不敏感

8、；對(duì)電磁干擾不敏感；n可沿著單線多路復(fù)用；可沿著單線多路復(fù)用；n光纖很細(xì)，對(duì)基體材料強(qiáng)度影響很小，無閃光放電現(xiàn)象；光纖很細(xì)，對(duì)基體材料強(qiáng)度影響很小，無閃光放電現(xiàn)象；n頻率響應(yīng)高；頻率響應(yīng)高；n能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；n光纖熔點(diǎn)高，而且不腐蝕，可以在高低溫及有害環(huán)境下光纖熔點(diǎn)高，而且不腐蝕，可以在高低溫及有害環(huán)境下工作等。工作等。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)191.1.1光纖傳感器光纖傳感器1、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y得光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y得光信號(hào)的裝置光信號(hào)的裝置 ，由光發(fā)送器、敏感元件（光纖或，由光發(fā)送器、敏感元

9、件（光纖或非光纖的）、光接受器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖非光纖的）、光接受器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖構(gòu)成，見圖3-1。光源光電器件信號(hào)處理敏感元件光纖張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)201.1.1光纖傳感器光纖傳感器由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)光纖引導(dǎo)至敏感元件，在由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)光纖引導(dǎo)至敏感元件，在這里，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光這里，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接受光纖耦合到光接受器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦沤?jīng)接受光纖耦合到光接受器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理得到我們所期待的號(hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理得到我們所期待的被測量。被測量。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)211.1.1

10、光纖傳感器光纖傳感器2、光纖傳感器的分類及其應(yīng)用、光纖傳感器的分類及其應(yīng)用 根據(jù)光纖在傳感器的作用，可以分為：根據(jù)光纖在傳感器的作用，可以分為：n功能型光纖傳感器，又稱功能型光纖傳感器，又稱FF光纖傳感器；光纖傳感器；n內(nèi)部光纖傳感器或全光纖型傳感器；內(nèi)部光纖傳感器或全光纖型傳感器；n非功能型光纖傳感器，又稱非功能型光纖傳感器，又稱NF光纖傳感器；光纖傳感器；n外部光纖傳感器或傳光型光纖傳感器。外部光纖傳感器或傳光型光纖傳感器。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)221.1.1光纖傳感器光纖傳感器根據(jù)光受被測對(duì)象調(diào)制形式，可以分為根據(jù)光受被測對(duì)象調(diào)制形式，可以分為n強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器；強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器

11、；n偏振調(diào)制光纖傳感器；偏振調(diào)制光纖傳感器；n相位調(diào)制光纖傳感器；相位調(diào)制光纖傳感器；n頻率調(diào)制光纖傳感器；頻率調(diào)制光纖傳感器；n顏色調(diào)制光纖傳感器。顏色調(diào)制光纖傳感器。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)231.1.1光纖傳感器光纖傳感器表3-2 光纖傳感器分類被測物理量測量類型光的調(diào)制物理效應(yīng)材料主要性能電流磁場FF偏振法拉第效應(yīng)石英系玻璃電流501200A(精度0.24%)鉛系玻璃磁場強(qiáng)度0.81800A/m(精度2%)相位磁致伸縮效應(yīng)鎳68碳莫合金最小檢測磁場強(qiáng)度8105A/m(110kHz)NF偏振法拉第效應(yīng)YIG系強(qiáng)磁體FR5鉛系玻璃磁場強(qiáng)度0.08160A/m(精度0.5%)電壓電場FF偏振P

12、ockols效應(yīng)亞硝基苯胺相位電致伸縮效應(yīng)陶瓷振子壓電元件NF偏振Pockols效應(yīng)LiNbO3LiTaO3電壓11000V電場強(qiáng)度0.11000kV/cm(精度1%)2、光纖傳感器的分類、光纖傳感器的分類張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)241.1.1光纖傳感器光纖傳感器2、光纖傳感器的分類、光纖傳感器的分類溫度FF相位干涉現(xiàn)象石英系玻璃溫度變化量17條/（m）光強(qiáng)紅外線透過SiO2CaF2ZrF2溫度2501200（精度1%）偏振雙折射變化石英系玻璃溫度301200開門數(shù)折射率變化石英系玻璃光強(qiáng)斷路雙金屬片彎曲雙金屬片溫度1030（精度0.5）磁性變化鐵氧體開（57）關(guān)（53）磁性變化鐵氧體開（57）

13、關(guān)（53）水銀的上升水銀40時(shí)精度0.5透射率禁帶寬度變化GaAs、CdTe半導(dǎo)體溫度080石蠟開（63）關(guān)（52）熒光輻射（Gd0.39Eu0.61）2O2S50300(精度0.1)速度FF相位Sagdac效應(yīng)石英系玻璃角速度3103rad/s以上頻率多普勒效應(yīng)石英系玻璃流速10-4104m/sNF斷路風(fēng)標(biāo)的旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)圓盤風(fēng)速60m/s張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)251.1.1光纖傳感器光纖傳感器2、光纖傳感器的分類、光纖傳感器的分類振動(dòng)壓力音響FF頻率多普勒效應(yīng)石英系玻璃最小振幅0.4m/(120Hz)相位干涉現(xiàn)象石英系玻璃壓力154kPam/條光強(qiáng)微小彎曲損失薄膜+膜條壓力0.9102kPa以上

14、NF光強(qiáng)散射損失C15H28O2+VL2235N壓力010kPa斷路雙波長透射率變化振子振幅0.05500m（精度1%）光強(qiáng)反射角變化薄膜血壓測量誤差2.6103Pa射線FF光強(qiáng)生成著色中心石英系玻璃鉛系玻璃輻射量0.011Mrad圖像FF光強(qiáng)光纖束成像石英系玻璃長數(shù)米多波長傳輸石英系玻璃長數(shù)米非線性光學(xué)非線性光學(xué)元件長數(shù)米光的聚焦多成分玻璃長數(shù)米張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)261.1.2電阻應(yīng)變絲電阻應(yīng)變絲1、概述、概述電阻應(yīng)變絲（電阻應(yīng)變絲（Strain Wires and Gauges）埋入）埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中后，隨著結(jié)構(gòu)的變形，電阻應(yīng)變復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中后，隨著結(jié)構(gòu)的變形，電阻應(yīng)變絲產(chǎn)生伸長和縮

15、短，它的電阻值的相對(duì)變化率為：絲產(chǎn)生伸長和縮短，它的電阻值的相對(duì)變化率為：式中：式中： 沿著電阻應(yīng)變絲軸向的構(gòu)件上的應(yīng)變沿著電阻應(yīng)變絲軸向的構(gòu)件上的應(yīng)變 電阻應(yīng)變絲靈敏系數(shù)電阻應(yīng)變絲靈敏系數(shù) 電阻應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)主要決定于絲的材料，通電阻應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)主要決定于絲的材料，通用康銅絲的靈敏系數(shù)為用康銅絲的靈敏系數(shù)為2，鎳鉻絲的靈敏系數(shù)為，鎳鉻絲的靈敏系數(shù)為2.3 sKRRSK張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)271.1.2電阻應(yīng)變絲電阻應(yīng)變絲2. 電阻應(yīng)變絲的優(yōu)缺點(diǎn)及性能要求電阻應(yīng)變絲的優(yōu)缺點(diǎn)及性能要求電阻應(yīng)變絲測量應(yīng)變的主要優(yōu)點(diǎn)是：電阻應(yīng)變絲測量應(yīng)變的主要優(yōu)點(diǎn)是：n(1) 電阻應(yīng)變絲的性能穩(wěn)定，而且很容

16、易研制電阻應(yīng)變絲的性能穩(wěn)定，而且很容易研制成與結(jié)構(gòu)材料相配合的絲材，這種絲材僅受應(yīng)成與結(jié)構(gòu)材料相配合的絲材，這種絲材僅受應(yīng)變影響，不受溫度的影響；變影響，不受溫度的影響；n(2) 電阻應(yīng)變絲埋入材料對(duì)原材料強(qiáng)度影響很電阻應(yīng)變絲埋入材料對(duì)原材料強(qiáng)度影響很??；小；n(3) 相配合的儀表很成熟，很容易與計(jì)算機(jī)及相配合的儀表很成熟，很容易與計(jì)算機(jī)及其他設(shè)備兼容。其他設(shè)備兼容。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)281.1.2電阻應(yīng)變絲電阻應(yīng)變絲2. 電阻應(yīng)變絲的優(yōu)缺點(diǎn)及性能要求電阻應(yīng)變絲的優(yōu)缺點(diǎn)及性能要求存在問題：存在問題：n(1)電阻應(yīng)變絲的輸出信號(hào)小，易受干擾，因此電阻應(yīng)變絲的輸出信號(hào)小，易受干擾，因此必須采取

17、防干擾措施；必須采取防干擾措施；n(2)為了提高檢測靈敏度，需要研究最佳的布置為了提高檢測靈敏度，需要研究最佳的布置方案。方案。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)291.1.2電阻應(yīng)變絲電阻應(yīng)變絲2. 電阻應(yīng)變絲的優(yōu)缺點(diǎn)及性能要求電阻應(yīng)變絲的優(yōu)缺點(diǎn)及性能要求埋入結(jié)構(gòu)中的電阻應(yīng)變絲的性能必須穩(wěn)定，并且埋入結(jié)構(gòu)中的電阻應(yīng)變絲的性能必須穩(wěn)定，并且不受外界環(huán)境變化的影響，主要性能要求如下：不受外界環(huán)境變化的影響，主要性能要求如下：n熱輸出要小，并接近于零；熱輸出要小，并接近于零；n零點(diǎn)漂移要小；零點(diǎn)漂移要??；n蠕變要小；蠕變要小；n機(jī)械滯后要?。粰C(jī)械滯后要??；n疲勞壽命要高。疲勞壽命要高。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)

18、301.1.3壓電傳感器壓電傳感器壓電材料通過電偶極子在電場中的自然排壓電材料通過電偶極子在電場中的自然排列而改變材料的尺寸，響應(yīng)外加電壓而產(chǎn)列而改變材料的尺寸，響應(yīng)外加電壓而產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變，電和力學(xué)性能之間呈線性生應(yīng)力或應(yīng)變，電和力學(xué)性能之間呈線性關(guān)系，具有關(guān)系，具有響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快、頻率高頻率高和和應(yīng)變小應(yīng)變小等特點(diǎn)。等特點(diǎn)。此種材料受到壓應(yīng)力刺激可以產(chǎn)生電信號(hào)，此種材料受到壓應(yīng)力刺激可以產(chǎn)生電信號(hào)，可用作傳感器?？捎米鱾鞲衅?。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)311.1.3壓電傳感器壓電傳感器利用壓電元件作為傳感器，可以測量材料利用壓電元件作為傳感器，可以測量材料破壞時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)。破壞時(shí)的聲發(fā)

19、射信號(hào)。 還可利用壓電元件作為振源，用壓電傳感還可利用壓電元件作為振源，用壓電傳感器測量原始缺陷的損傷的類型。器測量原始缺陷的損傷的類型。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)321.1.3壓電傳感器壓電傳感器1. 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路(a)(b)圖3-2壓電元件的串聯(lián)(a)與并聯(lián)(b)如圖如圖3-6a所示，兩片壓電片負(fù)極都集中于中間電極上，所示，兩片壓電片負(fù)極都集中于中間電極上，正極在上下兩面電極上。這種接法稱為并聯(lián)，其輸出電正極在上下兩面電極上。這種接法稱為并聯(lián)，其輸出電容容 為單片電容的兩倍為單片電容的兩倍(若為若為n片并聯(lián)，則片并聯(lián)，則 ，但輸，但輸出電壓出電壓 極板上電荷量

20、極板上電荷量 為單片電荷量的兩倍為單片電荷量的兩倍(若為若為n片并聯(lián)，則片并聯(lián)，則 )。 aCanCCaaaUUqnqq 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)331.1.3壓電傳感器壓電傳感器1. 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路圖圖3-6b中的接法是上極板為正電荷，下極中的接法是上極板為正電荷，下極板為負(fù)電荷，而中間極板上，上片產(chǎn)生的板為負(fù)電荷，而中間極板上，上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷抵消。這種接負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷抵消。這種接法稱為串聯(lián)。法稱為串聯(lián)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)341.1.3壓電傳感器壓電傳感器1. 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路并聯(lián)接法輸出電荷量大，本身

21、電容也大，并聯(lián)接法輸出電荷量大，本身電容也大，因此時(shí)間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號(hào)，因此時(shí)間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號(hào)，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。并且適用于以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法輸出電壓高，自身電容小，適用串聯(lián)接法輸出電壓高，自身電容小，適用于以電壓作為輸出量，以及測量電路輸入于以電壓作為輸出量，以及測量電路輸入阻抗很高的場合。阻抗很高的場合。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)351.1.3壓電傳感器2. 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路壓電傳感器可等效為如圖壓電傳感器可等效為如圖3-3a所示的電壓源，壓電傳感器所示的電壓源，壓電傳感器也可等效為一個(gè)電荷源，如圖也可等效為一個(gè)電荷源

22、，如圖3-3b所示。所示。 圖3-3 壓電傳感器電壓源與電荷源等效電路張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)361.1.3壓電傳感器壓電傳感器3. 壓電式傳感器結(jié)構(gòu)壓電式傳感器結(jié)構(gòu)壓電測力傳感器的結(jié)構(gòu)通常為荷重墊圈式。壓電測力傳感器的結(jié)構(gòu)通常為荷重墊圈式。 圖3-5 YDS-781型壓電式單向力傳感器結(jié)構(gòu)1一傳力上蓋 2一壓電片 3一片式電極4一電極引出插頭 5一絕緣材料 6一底座張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)371.1.4疲勞壽命計(jì)疲勞壽命計(jì)美國在美國在20世紀(jì)世紀(jì)60年代至年代至70年代研制了疲勞年代研制了疲勞壽命片，后致力于應(yīng)用研究。壽命片，后致力于應(yīng)用研究。我國也于我國也于1984年開始由南京航空航天大學(xué)、年

23、開始由南京航空航天大學(xué)、上海豐色金屬研究所、航空航天部上海豐色金屬研究所、航空航天部629所、所、702所聯(lián)合研制成功了疲勞壽命計(jì)。疲勞壽所聯(lián)合研制成功了疲勞壽命計(jì)。疲勞壽命計(jì)的敏感材料為疲勞壽命絲（箔）。命計(jì)的敏感材料為疲勞壽命絲（箔）。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)381.1.4疲勞壽命計(jì)疲勞壽命計(jì)為了比較同一構(gòu)件的不同設(shè)計(jì)的優(yōu)劣及在為了比較同一構(gòu)件的不同設(shè)計(jì)的優(yōu)劣及在相同載荷下壽命的長短，可以在它們的相相同載荷下壽命的長短，可以在它們的相同位置上貼上疲勞壽命絲，然后進(jìn)行試驗(yàn)，同位置上貼上疲勞壽命絲，然后進(jìn)行試驗(yàn)，比較在相同時(shí)間內(nèi)的電阻變化的大小。比較在相同時(shí)間內(nèi)的電阻變化的大小。疲勞壽命絲電阻變

24、化大者，說明該設(shè)計(jì)構(gòu)疲勞壽命絲電阻變化大者，說明該設(shè)計(jì)構(gòu)件的疲勞壽命較短或設(shè)計(jì)較差。件的疲勞壽命較短或設(shè)計(jì)較差。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)391.1.5碳纖維水泥石壓敏傳感器碳纖維水泥石壓敏傳感器由于碳纖維具有高的強(qiáng)度和彈性模量，接觸電阻由于碳纖維具有高的強(qiáng)度和彈性模量，接觸電阻會(huì)隨著壓力的變化而連續(xù)變化，利用這個(gè)特性可會(huì)隨著壓力的變化而連續(xù)變化，利用這個(gè)特性可以制成智能結(jié)構(gòu)中的壓力傳感元件和應(yīng)變傳感元以制成智能結(jié)構(gòu)中的壓力傳感元件和應(yīng)變傳感元件。件。歐進(jìn)萍教授提出了碳纖維水泥基材料的一種新型歐進(jìn)萍教授提出了碳纖維水泥基材料的一種新型應(yīng)用形式，即應(yīng)用碳纖維水泥石制作嵌入式壓敏應(yīng)用形式，即應(yīng)用碳纖

25、維水泥石制作嵌入式壓敏傳感器，稱為碳纖維水泥石壓敏傳感器傳感器，稱為碳纖維水泥石壓敏傳感器（CFCPS）。）。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)401.1.5碳纖維水泥石壓敏傳感器碳纖維水泥石壓敏傳感器n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n（1）本征式的應(yīng)用形式相比，該應(yīng)用形式具）本征式的應(yīng)用形式相比，該應(yīng)用形式具有較低的造價(jià)和便宜的施工工藝。有較低的造價(jià)和便宜的施工工藝。n（2）與混凝土結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測的其它傳感器）與混凝土結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測的其它傳感器(如如電阻應(yīng)變片、光纖等電阻應(yīng)變片、光纖等)相比，該傳感器具有耐久相比，該傳感器具有耐久性好、造價(jià)低、布設(shè)工藝簡單、與混凝土相容性好、造價(jià)低、布設(shè)工藝簡單、與混凝土相容性好。性好。 張

26、光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)411.1.6半導(dǎo)體傳感元件半導(dǎo)體傳感元件半導(dǎo)體傳感材料（半導(dǎo)體傳感材料（Semi-conductors）是未來智）是未來智能結(jié)構(gòu)中的主要材料，能制成與基體材料融合的能結(jié)構(gòu)中的主要材料，能制成與基體材料融合的半導(dǎo)體模塊、薄片，而且尺寸要越來越薄和越來半導(dǎo)體模塊、薄片，而且尺寸要越來越薄和越來越小。越小。 目前存在的主要問題是溫度的控制目前存在的主要問題是溫度的控制 。n目前使用目前使用GaAs材料的工作溫度為材料的工作溫度為130 。n實(shí)際使用時(shí)有環(huán)境溫度的影響，如飛行中飛機(jī)表面溫度實(shí)際使用時(shí)有環(huán)境溫度的影響，如飛行中飛機(jī)表面溫度就很高，另外本身發(fā)熱，因此必須想方設(shè)法控制溫

27、度就很高，另外本身發(fā)熱，因此必須想方設(shè)法控制溫度 。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)421.1.6半導(dǎo)體傳感元件半導(dǎo)體傳感元件目前半導(dǎo)體傳感器正在發(fā)展，主要集中在：目前半導(dǎo)體傳感器正在發(fā)展，主要集中在：n(1)制成飛機(jī)上使用的半導(dǎo)體薄片天線，這種薄片天線制成飛機(jī)上使用的半導(dǎo)體薄片天線，這種薄片天線由半導(dǎo)體材料制成，是寬頻帶，能適用于電子戰(zhàn)、通訊、由半導(dǎo)體材料制成，是寬頻帶，能適用于電子戰(zhàn)、通訊、雷達(dá)等多重交叉頻帶的天線。雷達(dá)等多重交叉頻帶的天線。n(2)氣壓硅傳感器的體積小，易于大批生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)如圖氣壓硅傳感器的體積小，易于大批生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。它安裝在一個(gè)方形凹槽中。當(dāng)壓力作用時(shí)，所示。它安裝在

28、一個(gè)方形凹槽中。當(dāng)壓力作用時(shí)，即可得知飛機(jī)或其他表面上的氣壓分布。即可得知飛機(jī)或其他表面上的氣壓分布。圖3-6 半導(dǎo)體氣壓硅傳感器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)43各種應(yīng)變片各種應(yīng)變片力傳感器上的應(yīng)變片力傳感器上的應(yīng)變片應(yīng)用應(yīng)用張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)44應(yīng)變片的應(yīng)用應(yīng)變片的應(yīng)用荷重傳感器荷重傳感器測量汽車載重測量汽車載重張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)45崇明躍進(jìn)橋檢測崇明躍進(jìn)橋檢測布置應(yīng)變布置應(yīng)變片片張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)46橋梁加載，檢測橋梁的應(yīng)變橋梁加載，檢測橋梁的應(yīng)變張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)47對(duì)斜拉橋鋼索進(jìn)行應(yīng)變測試對(duì)斜拉橋鋼索進(jìn)行應(yīng)變測試張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)48壓壓 強(qiáng)強(qiáng) 傳傳 感感 器器壓強(qiáng)傳感器

29、采用壓阻壓強(qiáng)傳感器采用壓阻式壓力傳感元件。式壓力傳感元件。它是利用單晶硅的壓它是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的器件。阻效應(yīng)制成的器件。當(dāng)它受到氣體壓力時(shí)，當(dāng)它受到氣體壓力時(shí)，半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率發(fā)生變化，從而輸出電發(fā)生變化，從而輸出電壓變化。壓變化。 壓力傳感元件壓力傳感元件張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)49血壓計(jì)血壓計(jì)壓強(qiáng)壓強(qiáng)傳感器傳感器氣閥氣閥氣泵氣泵放氣管放氣管三通管三通管接傳感器接傳感器氣泵氣泵 袖袖 帶帶 氣閥氣閥 壓強(qiáng)壓強(qiáng)傳感器傳感器 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)50輪胎壓力傳感器輪胎壓力傳感器在輪胎內(nèi)埋設(shè)壓強(qiáng)傳感器（含微控制器），隨輪在輪胎內(nèi)埋設(shè)壓強(qiáng)傳感器（含微控制器），隨輪胎

30、一起轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)測量輪胎的氣壓、溫度、轉(zhuǎn)速，胎一起轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)測量輪胎的氣壓、溫度、轉(zhuǎn)速，并將信息通過無線發(fā)送器傳遞給駕駛員。并將信息通過無線發(fā)送器傳遞給駕駛員。 輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)51磁鐵磁鐵 手柄外環(huán)手柄外環(huán) 手柄手柄手柄手柄旋轉(zhuǎn)手柄，調(diào)節(jié)磁鐵和霍爾元件旋轉(zhuǎn)手柄，調(diào)節(jié)磁鐵和霍爾元件之間的距離，電路輸出相應(yīng)的電壓，之間的距離，電路輸出相應(yīng)的電壓，從而控制車速。從而控制車速。磁傳感器磁傳感器 電動(dòng)車的車速控制電動(dòng)車的車速控制霍爾元件霍爾元件 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)52電動(dòng)車的無刷電動(dòng)機(jī)電動(dòng)車的無刷電動(dòng)機(jī)無刷電動(dòng)機(jī)沒有電刷，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。無刷電動(dòng)

31、機(jī)沒有電刷，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電機(jī)中采用霍爾元件檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，從而電機(jī)中采用霍爾元件檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，從而控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂齐姌须娏鞯膿Q向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)53無無 刷刷 電電 機(jī)機(jī)定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子霍爾元件霍爾元件定子定子張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)54位移傳感器位移傳感器超聲波接收超聲波接收超聲波發(fā)射超聲波發(fā)射紅外線發(fā)射紅外線發(fā)射紅外線接收紅外線接收張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)55壓電薄膜揚(yáng)聲器壓電薄膜揚(yáng)聲器（逆壓電效應(yīng)）（逆壓電效應(yīng)）可折疊、可卷曲、可印刷的薄膜揚(yáng)聲器可折疊、可卷曲、可印刷的薄膜揚(yáng)聲器 張光

32、磊：智能材料與結(jié)構(gòu)56超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)照相機(jī)鏡頭照相機(jī)鏡頭 環(huán)形超聲波電機(jī)環(huán)形超聲波電機(jī) 微形超聲波電機(jī)微形超聲波電機(jī) 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)57溫度傳感器溫度傳感器家用電器中應(yīng)用最多的是溫度傳感器，常用的有以下幾種：家用電器中應(yīng)用最多的是溫度傳感器，常用的有以下幾種： 電熱油汀電熱油汀 電烤箱電烤箱 電熱鍋電熱鍋 電火鍋電火鍋 電熨斗電熨斗 雙金屬片可調(diào)溫控器雙金屬片可調(diào)溫控器 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)58手動(dòng)復(fù)位式溫控器（溫度開關(guān)）手動(dòng)復(fù)位式溫控器（溫度開關(guān)）溫度降低后，溫度降低后，需要手動(dòng)才能接需要手動(dòng)才能接通電路。通電路。電熱水壺電熱水壺 雙金屬片達(dá)到一定溫度時(shí)，雙金屬片達(dá)到一定

33、溫度時(shí)，由于形變而產(chǎn)生瞬間跳動(dòng)，通由于形變而產(chǎn)生瞬間跳動(dòng)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，迅速斷開電路。過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，迅速斷開電路。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)59飲水機(jī)飲水機(jī)雙金屬片雙金屬片 自動(dòng)復(fù)位式溫控器（恒溫開關(guān)）自動(dòng)復(fù)位式溫控器（恒溫開關(guān)）溫控器內(nèi)部的雙金屬片達(dá)到設(shè)溫控器內(nèi)部的雙金屬片達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)斷開電路；當(dāng)溫定溫度時(shí)，自動(dòng)斷開電路；當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)接通電度低于設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)接通電路，從而保持溫度的恒定。路，從而保持溫度的恒定。電熱水瓶電熱水瓶 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)60機(jī)械式調(diào)溫器機(jī)械式調(diào)溫器 冷藏箱冷藏箱 電冰箱電冰箱 冷凍箱冷凍箱 保鮮柜保鮮柜 液體感溫劑（氯甲烷）液體感溫劑（氯甲烷

34、） 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)61電子溫控器電子溫控器 數(shù)字家電利用微控制器進(jìn)行智能數(shù)字家電利用微控制器進(jìn)行智能化控制。與之配套的各種傳感器，包化控制。與之配套的各種傳感器，包括熱敏電阻、熱敏晶體管等也在家用括熱敏電阻、熱敏晶體管等也在家用電器中扮演著重要角色。電器中扮演著重要角色。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)62電冰箱的電冰箱的控制器控制器 電壓力鍋電壓力鍋 電腦型微波爐電腦型微波爐 電腦型電飯鍋電腦型電飯鍋 熱敏電阻用于測量熱敏電阻用于測量張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)63發(fā)熱電器的恒溫控制：發(fā)熱電器的恒溫控制：剛通電時(shí)，剛通電時(shí)，PTC元件的電阻小，電流大，快速升溫。元件的電阻小，電流大，快速升溫。溫度超

35、過居里點(diǎn)后，電阻陡然增大，類似于關(guān)閉電源；溫度超過居里點(diǎn)后，電阻陡然增大，類似于關(guān)閉電源；當(dāng)溫度下降后，當(dāng)溫度下降后，PTC電阻下降電阻下降 自動(dòng)恒溫。自動(dòng)恒溫。PTC熱敏電阻既是加熱器又是傳感器，起到感溫和控溫?zé)崦綦娮杓仁羌訜崞饔质莻鞲衅?，起到感溫和控溫的兩種作用。的兩種作用。 陶瓷暖風(fēng)機(jī)陶瓷暖風(fēng)機(jī) 居里溫度居里溫度開關(guān)電阻開關(guān)電阻 工作范圍工作范圍PTC熱敏電阻熱敏電阻電蚊香電蚊香 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)64溫度傳感器溫度傳感器溫度傳感器中的熱電阻由鉑金屬制成。溫度傳感器中的熱電阻由鉑金屬制成。傳感器的金屬管內(nèi)充滿導(dǎo)熱硅脂，便于外傳感器的金屬管內(nèi)充滿導(dǎo)熱硅脂，便于外界溫度通過金屬管傳遞到鉑

36、電阻。界溫度通過金屬管傳遞到鉑電阻。鉑電阻鉑電阻張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)65電壓傳感器電壓傳感器電壓電壓轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器12V輸入信號(hào)輸入信號(hào)02.5V輸出信號(hào)輸出信號(hào)張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)66電流傳感器電流傳感器電壓電壓放大器放大器02.5V輸出信號(hào)輸出信號(hào)1A輸入信號(hào)輸入信號(hào)IR內(nèi)阻0.1 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)67微電流傳感器微電流傳感器電壓高倍電壓高倍放大器放大器與與轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器02.5V輸出信號(hào)輸出信號(hào)1A輸入信號(hào)輸入信號(hào)IR靈敏電流計(jì)靈敏電流計(jì)張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)68用微電流傳感器探測地球磁場用微電流傳感器探測地球磁場 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)69計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 空調(diào)空調(diào) 電吹風(fēng)電吹風(fēng) 電

37、視機(jī)電視機(jī) 微波爐微波爐 電風(fēng)扇電風(fēng)扇 探探究究生生活活中中的的電電磁磁波波張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)70手機(jī)發(fā)射與接收手機(jī)發(fā)射與接收CDMA手機(jī)手機(jī)GSM手機(jī)手機(jī)靜音接收靜音接收 0.62A 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)71制冷酒柜制冷酒柜 化妝品冰箱化妝品冰箱 汽車冰箱汽車冰箱 小巧的冰箱小巧的冰箱不用壓縮機(jī)不用壓縮機(jī)張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)72傳感器內(nèi)有一個(gè)傳感器內(nèi)有一個(gè)用彈簧片支撐的質(zhì)量用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，可以上下活動(dòng)。塊，可以上下活動(dòng)。固定電極固定電極1與質(zhì)量與質(zhì)量塊之間構(gòu)成電容塊之間構(gòu)成電容C1質(zhì)量塊與固定電質(zhì)量塊與固定電極極2之間構(gòu)成電容之間構(gòu)成電容C2C1C2固定電極固定電極1質(zhì)量塊質(zhì)量

38、塊固定電極固定電極2加速度傳感器加速度傳感器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)73硬盤防震硬盤防震 加速度傳感器應(yīng)用加速度傳感器應(yīng)用安全氣囊安全氣囊頸椎運(yùn)動(dòng)測量頸椎運(yùn)動(dòng)測量 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)74照相機(jī)防抖動(dòng)系統(tǒng)照相機(jī)防抖動(dòng)系統(tǒng)1、感光元件防抖感光元件防抖機(jī)身的機(jī)身的CCD框架產(chǎn)生框架產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，對(duì)成像落點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)，對(duì)成像落點(diǎn)進(jìn)行矯正進(jìn)行矯正（索尼）（索尼） 。2、光學(xué)防抖光學(xué)防抖 鏡頭中的對(duì)焦鏡產(chǎn)生鏡頭中的對(duì)焦鏡產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，對(duì)光路進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)，對(duì)光路進(jìn)行矯正矯正（佳能）（佳能） 。CCD框架移動(dòng)框架移動(dòng)加速度傳感器加速度傳感器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)75高速列車的車廂在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)發(fā)生傾斜，而高速列車

39、的車廂在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)發(fā)生傾斜，而頻繁的左右擺動(dòng)，容易使人感覺暈眩。頻繁的左右擺動(dòng)，容易使人感覺暈眩。利用利用加速度傳感器加速度傳感器，計(jì)算機(jī)根據(jù)列車轉(zhuǎn)彎，計(jì)算機(jī)根據(jù)列車轉(zhuǎn)彎的半徑和速度，自動(dòng)調(diào)節(jié)每節(jié)車廂的傾斜角的半徑和速度，自動(dòng)調(diào)節(jié)每節(jié)車廂的傾斜角度，從而達(dá)到高速、安全、舒適的目的。度，從而達(dá)到高速、安全、舒適的目的。自動(dòng)調(diào)節(jié)車廂擺動(dòng)的擺式列車自動(dòng)調(diào)節(jié)車廂擺動(dòng)的擺式列車列車轉(zhuǎn)向架列車轉(zhuǎn)向架 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)761.2驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)元件張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)771.2驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)元件智能材料與結(jié)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)元件的要求是：智能材料與結(jié)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)元件的要求是：n(1) 驅(qū)動(dòng)元件應(yīng)能和結(jié)構(gòu)基

40、體材料很好結(jié)合，具有高的驅(qū)動(dòng)元件應(yīng)能和結(jié)構(gòu)基體材料很好結(jié)合，具有高的結(jié)合強(qiáng)度；結(jié)合強(qiáng)度； n(2) 驅(qū)動(dòng)元件本身的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要高；驅(qū)動(dòng)元件本身的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要高； n(3) 激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)作的方法要簡單相安全，對(duì)結(jié)構(gòu)基激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)作的方法要簡單相安全，對(duì)結(jié)構(gòu)基體材料無影響，激勵(lì)的能量要小；體材料無影響，激勵(lì)的能量要??； n(4) 激勵(lì)后的變形量要大，并能伴隨著產(chǎn)生激勵(lì)力控制；激勵(lì)后的變形量要大，并能伴隨著產(chǎn)生激勵(lì)力控制； n(5) 驅(qū)動(dòng)元件在反復(fù)激勵(lì)下，保持性能穩(wěn)定；驅(qū)動(dòng)元件在反復(fù)激勵(lì)下，保持性能穩(wěn)定；n(6) 驅(qū)動(dòng)元件的頻率響應(yīng)要寬響應(yīng)速度要快、并能控驅(qū)動(dòng)元件的頻率響應(yīng)要寬響應(yīng)速

41、度要快、并能控制。制。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)781.2驅(qū)動(dòng)元件表3-4 常用驅(qū)動(dòng)材料的部分性能指標(biāo)材料性能壓電陶瓷PZTG-1195壓電薄膜PVDF壓電復(fù)合材料1-3型Vc=60%形狀記憶合金Niticol電致伸縮材料PMN磁致伸縮材料PMN電流變體最大驅(qū)動(dòng)應(yīng)變/10-61000700橫向900剪切37002000010002000屈服應(yīng)力3.5kPa,2.0kV/mm彈性模量/GPa6.30.212.12.8（馬氏體狀態(tài)）9.8（奧氏體狀態(tài)）11.94.9重復(fù)性偏差10%，5000h張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)791.2驅(qū)動(dòng)元件合成應(yīng)變/10-6350108500（奧氏體狀態(tài)）500580電流密度

42、2A/cm2頻率響應(yīng)/Hz12000012000012000005120000120000120000最高使用溫度/200常溫150300300400200驅(qū)動(dòng)方式電壓電壓電壓電流，溫度強(qiáng)電場強(qiáng)電場強(qiáng)電場驅(qū)動(dòng)機(jī)理逆電壓效應(yīng)逆電壓效應(yīng)逆電壓效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)材料中的電偶極子在外加電場作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，電偶極子沿電場方向平行排列，使晶體結(jié)構(gòu)變形在外加磁場中，材料內(nèi)部的小磁疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)并沿磁場方向重新取向，使材料產(chǎn)生變形在電場作用下，膠質(zhì)懸浮體迅速排列成相對(duì)有規(guī)律的鏈條柱狀形結(jié)構(gòu)并具固體性質(zhì)張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)80主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1.2.1壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器1.2.2壓電陶瓷微位移裝置壓電

43、陶瓷微位移裝置1.2.3形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器1.2.4電致伸縮傳動(dòng)器電致伸縮傳動(dòng)器1.2.5磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器1.2.6汽車電流變液變速箱汽車電流變液變速箱1.2.7磁流變阻尼器磁流變阻尼器1.2.8聚合膠體驅(qū)動(dòng)器聚合膠體驅(qū)動(dòng)器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)811.2.1壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器三通道壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器三通道壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)821.2.1壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器由于壓電陶瓷具有把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能力，由于壓電陶瓷具有把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能力，因此當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)通電給壓電陶瓷時(shí)，使材料的自因此當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)通電給壓電陶瓷時(shí)

44、，使材料的自發(fā)偶極矩發(fā)生變化。發(fā)偶極矩發(fā)生變化。使材料的尺寸發(fā)生改變，這種效應(yīng)能產(chǎn)地使材料的尺寸發(fā)生改變，這種效應(yīng)能產(chǎn)地200-300um的微應(yīng)變。的微應(yīng)變。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)831.2.1壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)速度之快是其他材料所無法比擬的，是高精響應(yīng)速度之快是其他材料所無法比擬的，是高精度、高速驅(qū)動(dòng)器所必須的，并已應(yīng)用于各種跟蹤度、高速驅(qū)動(dòng)器所必須的，并已應(yīng)用于各種跟蹤系統(tǒng)、門感應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)器人微定位器、磁頭、系統(tǒng)、門感應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)器人微定位器、磁頭、噴墨打印機(jī)和揚(yáng)聲器等方面。噴墨打印機(jī)和揚(yáng)聲器等方面。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)841.2.1壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器圖3

45、-7 疊加式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常采用如圖壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常采用如圖3-7 所示的導(dǎo)電聚合物粘結(jié)的多所示的導(dǎo)電聚合物粘結(jié)的多層壓電陶瓷片疊加方式。層壓電陶瓷片疊加方式。 采用疊加方式不但使壓電陶瓷片可以做得很薄，從而降低驅(qū)動(dòng)采用疊加方式不但使壓電陶瓷片可以做得很薄，從而降低驅(qū)動(dòng)器所需的電壓，而且還使驅(qū)動(dòng)器位移增加。器所需的電壓，而且還使驅(qū)動(dòng)器位移增加。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)851.2.1壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器FOu3u2u1圖3-8 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)變與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系在電壓恒定的情況下，驅(qū)動(dòng)力為零時(shí)變形最大；反之，變形為零時(shí)，驅(qū)在電壓恒定的情況下，驅(qū)動(dòng)力為零時(shí)變形最大；反之

46、，變形為零時(shí)，驅(qū)動(dòng)力最大。動(dòng)力最大。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器在零壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器在零(或固定或固定)應(yīng)力下，因電場強(qiáng)度而產(chǎn)生的極限應(yīng)變?yōu)閼?yīng)力下，因電場強(qiáng)度而產(chǎn)生的極限應(yīng)變?yōu)?.1左右，達(dá)到極限后，增加電場強(qiáng)度基本不會(huì)引起變形的增加。左右，達(dá)到極限后，增加電場強(qiáng)度基本不會(huì)引起變形的增加。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)861.2.2壓電陶瓷微位移裝置壓電陶瓷微位移裝置微位移的測量一般可測微位移的測量一般可測10-3m級(jí)的位移。級(jí)的位移。其原理是：其原理是：壓電元件由壓電元件由n片取向軸向極片的壓電陶片取向軸向極片的壓電陶瓷并聯(lián)瓷并聯(lián)(相鄰片極化方向相反相鄰片極化方向相反)疊加而成。疊加而成。 (a) 疊片式 (b)

47、圓管式圖3-9 壓電陶瓷微位移裝置結(jié)構(gòu)圖1-電極；2-壓電陶瓷；3-芯體；4-工作件21212334張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)871.2.3形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器常用的形狀記憶合金有常用的形狀記憶合金有Ni-Ti合金和合金和Cu-Zn-Al合金。合金。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)881.2.3形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器由驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。驅(qū)動(dòng)器由驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。驅(qū)動(dòng)元件即驅(qū)動(dòng)元件即SMA材料，多為絲材、片材和管材。材料，多為絲材、片材和管材。 圖3-10 旋轉(zhuǎn)位移型SMA電機(jī)（a）偏置式 （b）推挽式拉伸彈簧SMASMASMA張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)891.2.3形狀

48、記憶合金驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行原理是：驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行原理是：n（1）對(duì)偏置式而言，加熱）對(duì)偏置式而言，加熱SMA彈簧，相變發(fā)生，形狀彈簧，相變發(fā)生，形狀回復(fù)力克服彈簧拉力，產(chǎn)生動(dòng)作。冷卻時(shí)，回復(fù)力克服彈簧拉力，產(chǎn)生動(dòng)作。冷卻時(shí)，SMA發(fā)生發(fā)生逆相變，此時(shí)，逆相變，此時(shí)，SMA彈簧很軟，在拉伸彈簧的作用下，彈簧很軟，在拉伸彈簧的作用下，驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)到原來的位置。如此反復(fù)，可使驅(qū)動(dòng)器輸出驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)到原來的位置。如此反復(fù)，可使驅(qū)動(dòng)器輸出位移。位移。n（2）對(duì)推挽式而言，加熱一側(cè)）對(duì)推挽式而言，加熱一側(cè)SMA的同時(shí)，冷卻另一的同時(shí)，冷卻另一側(cè)的側(cè)的SMA，驅(qū)動(dòng)器具有雙向做功的能力，驅(qū)動(dòng)器具有雙向做功的能力。一

49、般來說，推挽式比偏置式的輸出功率大，能量一般來說，推挽式比偏置式的輸出功率大，能量轉(zhuǎn)換效率高。轉(zhuǎn)換效率高。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)901.2.3形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用應(yīng)用nSMA驅(qū)動(dòng)器非常適合于小負(fù)載、高速、高精度驅(qū)動(dòng)器非常適合于小負(fù)載、高速、高精度的機(jī)器人裝配作業(yè)中使用，在電子顯微鏡內(nèi)樣的機(jī)器人裝配作業(yè)中使用，在電子顯微鏡內(nèi)樣品移動(dòng)裝置、化學(xué)設(shè)備的反應(yīng)裝置及原子反應(yīng)品移動(dòng)裝置、化學(xué)設(shè)備的反應(yīng)裝置及原子反應(yīng)堆中的驅(qū)動(dòng)裝置上的應(yīng)用太有前途。堆中的驅(qū)動(dòng)裝置上的應(yīng)用太有前途。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)911.2.3形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用應(yīng)用nSMA驅(qū)動(dòng)器非常適合于小負(fù)載、高速、高精度的機(jī)器人裝配作業(yè)驅(qū)動(dòng)器

50、非常適合于小負(fù)載、高速、高精度的機(jī)器人裝配作業(yè)中使用，在電子顯微鏡內(nèi)樣品移動(dòng)裝置、化學(xué)設(shè)備的反應(yīng)裝置及中使用，在電子顯微鏡內(nèi)樣品移動(dòng)裝置、化學(xué)設(shè)備的反應(yīng)裝置及原子反應(yīng)堆中的驅(qū)動(dòng)裝置上的應(yīng)用太有前途。原子反應(yīng)堆中的驅(qū)動(dòng)裝置上的應(yīng)用太有前途。n世界上許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國家世界上許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國家(特別是日本特別是日本)，都在加緊這方面的研，都在加緊這方面的研究，并取得了一定的成果。迄今為止，形狀記憶臺(tái)金在空間技術(shù)、究，并取得了一定的成果。迄今為止，形狀記憶臺(tái)金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機(jī)械器具、電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生醫(yī)療器械、機(jī)械器具、電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛

51、的應(yīng)用?；罡鞣矫娑嫉玫搅藦V泛的應(yīng)用。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)921.2.3形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用應(yīng)用n世界上許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國家世界上許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國家(特別是日本特別是日本)，都，都在加緊這方面的研究，并取得了一定的成果。在加緊這方面的研究，并取得了一定的成果。迄今為止，形狀記憶臺(tái)金在空間技術(shù)、醫(yī)療器迄今為止，形狀記憶臺(tái)金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機(jī)械器具、電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工械、機(jī)械器具、電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應(yīng)用。業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應(yīng)用。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)931.2.3形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用n合金作為驅(qū)動(dòng)元件，具有可動(dòng)的肩、

52、肘、腕及手指合金作為驅(qū)動(dòng)元件，具有可動(dòng)的肩、肘、腕及手指的微型機(jī)械手。的微型機(jī)械手。n手指和手腕靠手指和手腕靠TiNiTiNi合金螺旋彈簧的伸縮實(shí)現(xiàn)開閉和合金螺旋彈簧的伸縮實(shí)現(xiàn)開閉和彎曲動(dòng)作，肘和肩是靠直線狀的彎曲動(dòng)作，肘和肩是靠直線狀的TiNiTiNi合金絲的伸縮合金絲的伸縮做彎曲動(dòng)作，各個(gè)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)元件都由直接做彎曲動(dòng)作，各個(gè)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)元件都由直接通上的脈寬可調(diào)電流加以控制。通上的脈寬可調(diào)電流加以控制。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)941.2.3形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器形狀記憶合金能動(dòng)型內(nèi)窺鏡形狀記憶合金能動(dòng)型內(nèi)窺鏡 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)951.2.3形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器腸道內(nèi)窺鏡式機(jī)器人

53、腸道內(nèi)窺鏡式機(jī)器人 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)961.2.4電致伸縮傳動(dòng)器n電致伸縮傳動(dòng)器是利用陶瓷材料的電致伸縮效應(yīng)的新型電致伸縮傳動(dòng)器是利用陶瓷材料的電致伸縮效應(yīng)的新型機(jī)電轉(zhuǎn)換器件。機(jī)電轉(zhuǎn)換器件。n它是應(yīng)光學(xué)、精密加工和微型馬達(dá)等領(lǐng)域?qū)π碌奈灰茡Q它是應(yīng)光學(xué)、精密加工和微型馬達(dá)等領(lǐng)域?qū)π碌奈灰茡Q能器迫切需要而發(fā)展起來的。能器迫切需要而發(fā)展起來的。n電致伸縮微位移器一般由電致伸縮微位移器一般由PLZ陶瓷材料，獨(dú)立疊層工藝陶瓷材料，獨(dú)立疊層工藝制作而成。它是一種高分辨率電壓控制微小應(yīng)變的器件。制作而成。它是一種高分辨率電壓控制微小應(yīng)變的器件。其位移量由疊層數(shù)和電場大小控制。其位移量由疊層數(shù)和電場大小

54、控制。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)971.2.4電致伸縮傳動(dòng)器優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n工作電壓低、工作電壓低、n體積小、體積小、n結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)緊湊、n分辨率高、分辨率高、n響應(yīng)快、響應(yīng)快、n滯后小、滯后小、n控制簡便、控制簡便、n回零再現(xiàn)性好、回零再現(xiàn)性好、n無老化現(xiàn)象、無老化現(xiàn)象、n穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好n沒有發(fā)熱問題沒有發(fā)熱問題 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)981.2.4電致伸縮傳動(dòng)器應(yīng)用：應(yīng)用：它是光學(xué)、機(jī)械加工、電子、航空、生物、醫(yī)學(xué)、它是光學(xué)、機(jī)械加工、電子、航空、生物、醫(yī)學(xué)、遺傳工程和光纖通訊等領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)精度為遺傳工程和光纖通訊等領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)精度為0.01m的超精定位、超精加工、誤差補(bǔ)償、相的超精定位、超精

55、加工、誤差補(bǔ)償、相位調(diào)制等功能的理想執(zhí)行器件。位調(diào)制等功能的理想執(zhí)行器件。該器件定位精度可達(dá)亞微米級(jí)，分辨率可達(dá)到幾該器件定位精度可達(dá)亞微米級(jí)，分辨率可達(dá)到幾十納米，在精密機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。十納米，在精密機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)991.2.4電致伸縮傳動(dòng)器電致伸縮微位移器傳遞函數(shù)的簡化模型如圖電致伸縮微位移器傳遞函數(shù)的簡化模型如圖3-11所示。所示。RucUfCY=kuc2圖3-11 微位移器簡化模型張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1001.2.5磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器磁致伸縮是指材料在磁場作用下，其長度磁致伸縮是指材料在磁場作用下，其長度（或形狀）發(fā)生伸長

56、或縮短的現(xiàn)象。具有（或形狀）發(fā)生伸長或縮短的現(xiàn)象。具有較大磁致伸縮應(yīng)變的材料稱為磁致伸縮材較大磁致伸縮應(yīng)變的材料稱為磁致伸縮材料。料。n如如Ni、Ni-Co-Cr合金和合金和Fe-14%Al合金的飽和合金的飽和磁致伸縮應(yīng)變量僅有磁致伸縮應(yīng)變量僅有0.410-4110-4，由，由于其飽和磁致伸縮系數(shù)于其飽和磁致伸縮系數(shù)(s)值過小，沒有得到值過小，沒有得到廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1011.2.5磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器n國際上研制成一種多元稀土國際上研制成一種多元稀土-鐵萊夫斯相化合物鐵萊夫斯相化合物（R，R)Fe2，其飽和磁致伸縮應(yīng)變量達(dá)到，其飽和磁

57、致伸縮應(yīng)變量達(dá)到1.510-3210-3，相當(dāng)于傳統(tǒng)材料的，相當(dāng)于傳統(tǒng)材料的2050倍，所以稱其為超磁致伸縮材料。倍，所以稱其為超磁致伸縮材料。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1021.2.5磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器微位移驅(qū)動(dòng)器的具體結(jié)構(gòu)見圖微位移驅(qū)動(dòng)器的具體結(jié)構(gòu)見圖3-12。 超磁致伸縮棒螺線管線圈連接鋼球預(yù)緊螺栓導(dǎo)磁鈮鐵永磁鐵框架彈簧鋼片水冷管圖3-12 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖 永磁鐵產(chǎn)生一個(gè)偏置磁場，從而使驅(qū)動(dòng)器工作在伸縮率最大及良好的線性段； 通過彈性鋼片，調(diào)整磁致伸縮棒上的預(yù)緊力，從而使磁滯最??； 通過改變驅(qū)動(dòng)線圈中電流的大小，來改變棒中磁場的大小，進(jìn)而控制位移。張光磊：智

58、能材料與結(jié)構(gòu)1031.2.5磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器圖圖3-13是超磁致伸縮材料的應(yīng)用原理圖。由驅(qū)動(dòng)是超磁致伸縮材料的應(yīng)用原理圖。由驅(qū)動(dòng)線圈提供磁場，線圈提供磁場，Terfenol-D棒材的長度會(huì)發(fā)生變棒材的長度會(huì)發(fā)生變化，從而將電能轉(zhuǎn)換成聲波或機(jī)械能輸出?；?，從而將電能轉(zhuǎn)換成聲波或機(jī)械能輸出。驅(qū)動(dòng)線圈Terfenol-D棒材圖3-13 超磁致伸縮材料的應(yīng)用原理圖張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1041.2.5磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器磁致伸縮材料微位移驅(qū)動(dòng)器磁致伸縮材料優(yōu)點(diǎn)：磁致伸縮材料優(yōu)點(diǎn)：n應(yīng)變量和機(jī)電耦合系數(shù)大，響應(yīng)速度快，與壓應(yīng)變量和機(jī)電耦合系數(shù)大，響應(yīng)速度快，與壓電材料

59、相比，它既沒有時(shí)效引起的極化衰減，電材料相比，它既沒有時(shí)效引起的極化衰減，也不會(huì)因?yàn)樗查g過熱而導(dǎo)致性能的喪失。也不會(huì)因?yàn)樗查g過熱而導(dǎo)致性能的喪失。其缺點(diǎn)：其缺點(diǎn)：n易造成磁場干擾、有遲滯現(xiàn)象。易造成磁場干擾、有遲滯現(xiàn)象。主要應(yīng)用于高精度快速微位移驅(qū)動(dòng)器、主主要應(yīng)用于高精度快速微位移驅(qū)動(dòng)器、主動(dòng)降噪減振系統(tǒng)等。動(dòng)降噪減振系統(tǒng)等。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1051.2.6汽車電流變液變速箱汽車電流變液變速箱電流變液的特點(diǎn)是響應(yīng)快，剪切強(qiáng)度變化幅度大。電流變液的特點(diǎn)是響應(yīng)快，剪切強(qiáng)度變化幅度大。它在結(jié)構(gòu)減振降噪研究等方面取得了一些進(jìn)展，它在結(jié)構(gòu)減振降噪研究等方面取得了一些進(jìn)展，需要改善的是降低轉(zhuǎn)換電壓，

60、提高長期穩(wěn)定性和需要改善的是降低轉(zhuǎn)換電壓，提高長期穩(wěn)定性和抗剪切強(qiáng)度等?？辜羟袕?qiáng)度等。電流變液用于汽車變速的原理可以通過一個(gè)簡化電流變液用于汽車變速的原理可以通過一個(gè)簡化間化的例子說明，如圖間化的例子說明，如圖3-14所示。所示。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1061.2.6汽車電流變液變速箱汽車電流變液變速箱圖3-14 汽車變速原理示意圖4312設(shè)動(dòng)力首先從下面的軸輸入(箭頭)，下部軸與齒輪之間是電流變濃。如果右邊施加外電場，左邊仍保持液態(tài)，則動(dòng)力由齒輪1傳到齒輪2，帶動(dòng)上部軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于齒輪1的半徑大于齒輪2，所以輸出軸轉(zhuǎn)得較快。如果左邊施加外電場，右邊保持液態(tài)，則動(dòng)力從齒輪3傳到齒輪4，輸出軸的