智能器件zhang

1、1智能器件智能器件 張光磊：智能材料與結構2【本章學習目標】掌握：掌握：n典型傳感元件、驅動元件和控制元件的結構原典型傳感元件、驅動元件和控制元件的結構原理、分類與應用。理、分類與應用。 了解：了解：n傳感元件、驅動元件和控制元件的功能、性能傳感元件、驅動元件和控制元件的功能、性能指標與特點。指標與特點。張光磊：智能材料與結構3【本章教學要點】知識要點知識要點能力要求能力要求相關知識相關知識傳感元件傳感元件了解傳感元件的功能、性能指標與了解傳感元件的功能、性能指標與特點，掌握光纖傳感器，壓電傳特點，掌握光纖傳感器，壓電傳感器和電阻應變絲等典型傳感元感器和電阻應變絲等典型傳感元件的結構原理、分類

2、與應用件的結構原理、分類與應用傳感器傳感器驅動元件驅動元件了解驅動元件的功能、研究內(nèi)容、了解驅動元件的功能、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。掌握壓電陶瓷驅動器、形狀記憶合金驅動器、驅動器、形狀記憶合金驅動器、電致伸縮傳動器等驅動元件的結電致伸縮傳動器等驅動元件的結構原理與應用。構原理與應用。驅動器驅動器控制元件控制元件了解控制元件的功能與典型應用了解控制元件的功能與典型應用控制器，調節(jié)器，控制器，調節(jié)器，繼電器繼電器張光磊：智能材料與結構4學時安排建議學時：建議學時：6學時學時1 傳感元件（傳感元件（2學時）學時）2 驅動元件（驅動元件（ 2學時）學時）3 控制元件（控制

3、元件（ 2學時）學時）張光磊：智能材料與結構51.智能器件智能點鈔機張光磊：智能材料與結構61.智能器件臺凌智能變頻器 張光磊：智能材料與結構71.智能器件智能功率器件智能功率器件張光磊：智能材料與結構81.智能器件智能型干式電容器智能型干式電容器張光磊：智能材料與結構91.智能器件1.1 傳感元件1.2 驅動元件1.3 控制元件張光磊：智能材料與結構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：智能材料與結構11使用者翻動手機選擇使用者翻動手機選擇“響鈴響鈴”或或“震鈴震鈴”；搖晃手機變換不同的鈴聲和搖晃手機變換不同的鈴聲和游戲；游戲；音樂和壁紙隨著人們的動作音樂

4、和壁紙隨著人們的動作而變化。而變化。搖晃你的手機搖晃你的手機 傳感器傳感器張光磊：智能材料與結構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：智能材料與結構13力傳感器力傳感器溫度開關溫度開關張光磊：智能材料與結構14實驗室的實驗室的傳感器傳感器張光磊：智能材料與結構151.1傳感元件傳感元件對傳感元件的要求是：對傳感元件的要求是：n(1)尺寸要小，而且薄，不影響結構的外形；尺寸要小，而且薄，不影響結構的外形；n(2)應和原結構材料能很好耦臺，對原結構材料強度的應和原結構材料能很好耦臺，對原結構材料強度的影響較?。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)頻率響應要寬；頻率響應要寬；n(6)能和結構上其他電氣設備兼容；能和結構上其他電氣設備兼容；n(7)受外界干擾要小，受外界干擾要小，n(8)能在結構的使用溫度及濕度范圍內(nèi)正常工作。能在結構的使用溫度及濕度范圍內(nèi)正常工作。張光磊：智能材料與結構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及特點常用傳感材料的部分性能指標及特點類型項目壓電陶瓷壓電薄膜光纖電阻應變元件半導體元件靈敏度/(mV/10-6)20100.031頻帶/Hz0.11040.11040.110401040104標距/m1.0161.0161.0162.0320

6、.762輔助設備通用通用通用通用通用測量參數(shù)應變，壓力加速度，超聲波應變，壓力加速度，超聲波應變，溫度速度，振動應變，壓力應變，壓力，加速度，溫度，光電信號主要特點靈敏度高，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，對基體強度影響小，頻帶寬，靈敏度高，能進行數(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，技術成熟，價格低，埋入基體材料對結構強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，與基體結構之間的結合強度不高穩(wěn)定性和重復性需提高，

7、設備成本高、費用大輸出信號小，易受干擾，使用溫度范圍較小使用溫度范圍小張光磊：智能材料與結構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電阻應變絲電阻應變絲1.1.3壓電傳感器壓電傳感器1.1.4疲勞壽命計疲勞壽命計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半導體傳感元件半導體傳感元件張光磊：智能材料與結構181.1.1光纖傳感器光纖傳感器光纖是最先應用于智能結構的傳感元件光纖是最先應用于智能結構的傳感元件 。光導纖維是利用兩種介質面上光的全反射原理制光導纖維是利用兩種介質面上光的全反射原理制成的光導元件。成的光導元件。 優(yōu)點：優(yōu)點：n對電磁干擾不敏感

8、；對電磁干擾不敏感；n可沿著單線多路復用；可沿著單線多路復用；n光纖很細，對基體材料強度影響很小，無閃光放電現(xiàn)象；光纖很細，對基體材料強度影響很小，無閃光放電現(xiàn)象；n頻率響應高；頻率響應高；n能進行數(shù)據(jù)傳輸；能進行數(shù)據(jù)傳輸；n光纖熔點高，而且不腐蝕，可以在高低溫及有害環(huán)境下光纖熔點高，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：智能材料與結構191.1.1光纖傳感器光纖傳感器1、光纖傳感器的結構原理、光纖傳感器的結構原理光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y得光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y得光信號的裝置光信號的裝置 ，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、信號處理系統(tǒng)以及光纖非光纖的）、光接受器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構成，見圖構成，見圖3-1。光源光電器件信號處理敏感元件光纖張光磊：智能材料與結構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)光纖引導至敏感元件，在由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)光纖引導至敏感元件，在這里，光的某一性質受到被測量的調制，已調光這里，光的某一性質受到被測量的調制，已調光經(jīng)接受光纖耦合到光接受器，使光信號變?yōu)殡娦沤?jīng)接受光纖耦合到光接受器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理系統(tǒng)處理得到我們所期待的號，最后經(jīng)信號處理系統(tǒng)處理得到我們所期待的被測量。被測量。 張光磊：智能材料與結構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用、光纖傳感器的分類及其應用 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：智能材料與結構221.1.1光纖傳感器光纖傳感器根據(jù)光受被測對象調制形式，可以分為根據(jù)光受被測對象調制形式，可以分為n強度調制型光纖傳感器；強度調制型光纖傳感器

11、；n偏振調制光纖傳感器；偏振調制光纖傳感器；n相位調制光纖傳感器；相位調制光纖傳感器；n頻率調制光纖傳感器；頻率調制光纖傳感器；n顏色調制光纖傳感器。顏色調制光纖傳感器。張光磊：智能材料與結構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制物理效應材料主要性能電流磁場FF偏振法拉第效應石英系玻璃電流501200A(精度0.24%)鉛系玻璃磁場強度0.81800A/m(精度2%)相位磁致伸縮效應鎳68碳莫合金最小檢測磁場強度8105A/m(110kHz)NF偏振法拉第效應YIG系強磁體FR5鉛系玻璃磁場強度0.08160A/m(精度0.5%)電壓電場FF偏振P

12、ockols效應亞硝基苯胺相位電致伸縮效應陶瓷振子壓電元件NF偏振Pockols效應LiNbO3LiTaO3電壓11000V電場強度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：智能材料與結構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（53）磁性變化鐵氧體開（57）

13、關（53）水銀的上升水銀40時精度0.5透射率禁帶寬度變化GaAs、CdTe半導體溫度080石蠟開（63）關（52）熒光輻射（Gd0.39Eu0.61）2O2S50300(精度0.1)速度FF相位Sagdac效應石英系玻璃角速度3103rad/s以上頻率多普勒效應石英系玻璃流速10-4104m/sNF斷路風標的旋轉旋轉圓盤風速60m/s張光磊：智能材料與結構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壓力音響FF頻率多普勒效應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/條光強微小彎曲損失薄膜+膜條壓力0.9102kPa以上

14、NF光強散射損失C15H28O2+VL2235N壓力010kPa斷路雙波長透射率變化振子振幅0.05500m（精度1%）光強反射角變化薄膜血壓測量誤差2.6103Pa射線FF光強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)米非線性光學非線性光學元件長數(shù)米光的聚焦多成分玻璃長數(shù)米張光磊：智能材料與結構261.1.2電阻應變絲電阻應變絲1、概述、概述電阻應變絲（電阻應變絲（Strain Wires and Gauges）埋入）埋入復合材料結構中后，隨著結構的變形，電阻應變復合材料結構中后，隨著結構的變形，電阻應變絲產(chǎn)生伸長和縮

15、短，它的電阻值的相對變化率為：絲產(chǎn)生伸長和縮短，它的電阻值的相對變化率為：式中：式中： 沿著電阻應變絲軸向的構件上的應變沿著電阻應變絲軸向的構件上的應變 電阻應變絲靈敏系數(shù)電阻應變絲靈敏系數(shù) 電阻應變絲的靈敏系數(shù)主要決定于絲的材料，通電阻應變絲的靈敏系數(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：智能材料與結構271.1.2電阻應變絲電阻應變絲2. 電阻應變絲的優(yōu)缺點及性能要求電阻應變絲的優(yōu)缺點及性能要求電阻應變絲測量應變的主要優(yōu)點是：電阻應變絲測量應變的主要優(yōu)點是：n(1) 電阻應變絲的性能穩(wěn)定，而且很容

16、易研制電阻應變絲的性能穩(wěn)定，而且很容易研制成與結構材料相配合的絲材，這種絲材僅受應成與結構材料相配合的絲材，這種絲材僅受應變影響，不受溫度的影響；變影響，不受溫度的影響；n(2) 電阻應變絲埋入材料對原材料強度影響很電阻應變絲埋入材料對原材料強度影響很??；?。籲(3) 相配合的儀表很成熟，很容易與計算機及相配合的儀表很成熟，很容易與計算機及其他設備兼容。其他設備兼容。張光磊：智能材料與結構281.1.2電阻應變絲電阻應變絲2. 電阻應變絲的優(yōu)缺點及性能要求電阻應變絲的優(yōu)缺點及性能要求存在問題：存在問題：n(1)電阻應變絲的輸出信號小，易受干擾，因此電阻應變絲的輸出信號小，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：智能材料與結構291.1.2電阻應變絲電阻應變絲2. 電阻應變絲的優(yōu)缺點及性能要求電阻應變絲的優(yōu)缺點及性能要求埋入結構中的電阻應變絲的性能必須穩(wěn)定，并且埋入結構中的電阻應變絲的性能必須穩(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零點漂移要??；零點漂移要小；n蠕變要??；蠕變要小；n機械滯后要??；機械滯后要?。籲疲勞壽命要高。疲勞壽命要高。 張光磊：智能材料與結構

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，響應外加電壓而產(chǎn)列而改變材料的尺寸，響應外加電壓而產(chǎn)生應力或應變，電和力學性能之間呈線性生應力或應變，電和力學性能之間呈線性關系，具有關系，具有響應速度快響應速度快、頻率高頻率高和和應變小應變小等特點。等特點。此種材料受到壓應力刺激可以產(chǎn)生電信號，此種材料受到壓應力刺激可以產(chǎn)生電信號，可用作傳感器?？捎米鱾鞲衅?。張光磊：智能材料與結構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的聲發(fā)射信號。破壞時的聲發(fā)

19、射信號。 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：智能材料與結構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，兩片壓電片負極都集中于中間電極上，所示，兩片壓電片負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：智能材料與結構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，下極板為負電荷，而中間極板上，上片產(chǎn)生的板為負電荷，而中間極板上，上片產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷抵消。這種接負電荷與下片產(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：智能材料與結構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，因此時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，因此時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，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：智能材料與結構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電荷源，如圖也可等效為一個電荷源

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：智能材料與結構361.1.3壓電傳感器壓電傳感器3. 壓電式傳感器結構壓電式傳感器結構壓電測力傳感器的結構通常為荷重墊圈式。壓電測力傳感器的結構通常為荷重墊圈式。 圖3-5 YDS-781型壓電式單向力傳感器結構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：智能材料與結構371.1.4疲勞壽命計疲勞壽命計美國在美國在20世紀世紀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，后致力于應用研究。壽命片，后致力于應用研究。我國也于我國也于1984年開始由南京航空航天大學、年

23、開始由南京航空航天大學、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。疲勞壽所聯(lián)合研制成功了疲勞壽命計。疲勞壽命計的敏感材料為疲勞壽命絲（箔）。命計的敏感材料為疲勞壽命絲（箔）。張光磊：智能材料與結構381.1.4疲勞壽命計疲勞壽命計為了比較同一構件的不同設計的優(yōu)劣及在為了比較同一構件的不同設計的優(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，然后進行試驗，同位置上貼上疲勞壽命絲，然后進行試驗，比較在相同時間內(nèi)的電阻變化的大小。比較在相同時間內(nèi)的電阻變化的大小。疲勞壽命絲電阻變

24、化大者，說明該設計構疲勞壽命絲電阻變化大者，說明該設計構件的疲勞壽命較短或設計較差。件的疲勞壽命較短或設計較差。 張光磊：智能材料與結構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度和彈性模量，接觸電阻由于碳纖維具有高的強度和彈性模量，接觸電阻會隨著壓力的變化而連續(xù)變化，利用這個特性可會隨著壓力的變化而連續(xù)變化，利用這個特性可以制成智能結構中的壓力傳感元件和應變傳感元以制成智能結構中的壓力傳感元件和應變傳感元件。件。歐進萍教授提出了碳纖維水泥基材料的一種新型歐進萍教授提出了碳纖維水泥基材料的一種新型應用形式，即應用碳纖維水泥石制作嵌入式壓敏應用形式，即應用碳纖

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：智能材料與結構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：優(yōu)點：n（1）本征式的應用形式相比，該應用形式具）本征式的應用形式相比，該應用形式具有較低的造價和便宜的施工工藝。有較低的造價和便宜的施工工藝。n（2）與混凝土結構局部監(jiān)測的其它傳感器）與混凝土結構局部監(jiān)測的其它傳感器(如如電阻應變片、光纖等電阻應變片、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、造價低、布設工藝簡單、與混凝土相容性好、造價低、布設工藝簡單、與混凝土相容性好。性好。 張

26、光磊：智能材料與結構411.1.6半導體傳感元件半導體傳感元件半導體傳感材料（半導體傳感材料（Semi-conductors）是未來智）是未來智能結構中的主要材料，能制成與基體材料融合的能結構中的主要材料，能制成與基體材料融合的半導體模塊、薄片，而且尺寸要越來越薄和越來半導體模塊、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實際使用時有環(huán)境溫度的影響，如飛行中飛機表面溫度實際使用時有環(huán)境溫度的影響，如飛行中飛機表面溫度就很高，另外本身發(fā)熱，因此必須想方設法控制溫

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

28、一個方形凹槽中。當壓力作用時，即可得知飛機或其他表面上的氣壓分布。即可得知飛機或其他表面上的氣壓分布。圖3-6 半導體氣壓硅傳感器張光磊：智能材料與結構43各種應變片各種應變片力傳感器上的應變片力傳感器上的應變片應用應用張光磊：智能材料與結構44應變片的應用應變片的應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：智能材料與結構45崇明躍進橋檢測崇明躍進橋檢測布置應變布置應變片片張光磊：智能材料與結構46橋梁加載，檢測橋梁的應變橋梁加載，檢測橋梁的應變張光磊：智能材料與結構47對斜拉橋鋼索進行應變測試對斜拉橋鋼索進行應變測試張光磊：智能材料與結構48壓壓 強強 傳傳 感感 器器壓強傳感器

29、采用壓阻壓強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制成的器件。阻效應制成的器件。當它受到氣體壓力時，當它受到氣體壓力時，半導體應變片的電阻率半導體應變片的電阻率發(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：智能材料與結構49血壓計血壓計壓強壓強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 壓強壓強傳感器傳感器 張光磊：智能材料與結構50輪胎壓力傳感器輪胎壓力傳感器在輪胎內(nèi)埋設壓強傳感器（含微控制器），隨輪在輪胎內(nèi)埋設壓強傳感器（含微控制器），隨輪胎

30、一起轉動，自動測量輪胎的氣壓、溫度、轉速，胎一起轉動，自動測量輪胎的氣壓、溫度、轉速，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：智能材料與結構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手柄，調節(jié)磁鐵和霍爾元件旋轉手柄，調節(jié)磁鐵和霍爾元件之間的距離，電路輸出相應的電壓，之間的距離，電路輸出相應的電壓，從而控制車速。從而控制車速。磁傳感器磁傳感器 電動車的車速控制電動車的車速控制霍爾元件霍爾元件 張光磊：智能材料與結構52電動車的無刷電動機電動車的無刷電動機無刷電動機沒有電刷，定子產(chǎn)生旋轉磁場帶動轉子旋轉。無刷電動

31、機沒有電刷，定子產(chǎn)生旋轉磁場帶動轉子旋轉。電機中采用霍爾元件檢測轉子和定子之間的相對位置，從而電機中采用霍爾元件檢測轉子和定子之間的相對位置，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉。控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉。張光磊：智能材料與結構53無無 刷刷 電電 機機定子定子轉子轉子霍爾元件霍爾元件定子定子張光磊：智能材料與結構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：智能材料與結構55壓電薄膜揚聲器壓電薄膜揚聲器（逆壓電效應）（逆壓電效應）可折疊、可卷曲、可印刷的薄膜揚聲器可折疊、可卷曲、可印刷的薄膜揚聲器 張光

32、磊：智能材料與結構56超聲波電動機超聲波電動機照相機鏡頭照相機鏡頭 環(huán)形超聲波電機環(huán)形超聲波電機 微形超聲波電機微形超聲波電機 張光磊：智能材料與結構57溫度傳感器溫度傳感器家用電器中應用最多的是溫度傳感器，常用的有以下幾種：家用電器中應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 雙金屬片可調溫控器雙金屬片可調溫控器 張光磊：智能材料與結構58手動復位式溫控器（溫度開關）手動復位式溫控器（溫度開關）溫度降低后，溫度降低后，需要手動才能接需要手動才能接通電路。通電路。電熱水壺電熱水壺 雙金屬片達到一定溫度時，雙金屬片達到一定

33、溫度時，由于形變而產(chǎn)生瞬間跳動，通由于形變而產(chǎn)生瞬間跳動，通過傳動機構，迅速斷開電路。過傳動機構，迅速斷開電路。張光磊：智能材料與結構59飲水機飲水機雙金屬片雙金屬片 自動復位式溫控器（恒溫開關）自動復位式溫控器（恒溫開關）溫控器內(nèi)部的雙金屬片達到設溫控器內(nèi)部的雙金屬片達到設定溫度時，自動斷開電路；當溫定溫度時，自動斷開電路；當溫度低于設定溫度時，自動接通電度低于設定溫度時，自動接通電路，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：智能材料與結構60機械式調溫器機械式調溫器 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：智能材料與結構61電子溫控器電子溫控器 數(shù)字家電利用微控制器進行智能數(shù)字家電利用微控制器進行智能化控制。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：智能材料與結構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：智能材料與結構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，剛通電時，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、過居里點后，電阻陡然增大，類似于關閉電源；溫度超過居里點后，電阻陡然增大，類似于關閉電源；當溫度下降后，當溫度下降后，PTC電阻下降電阻下降 自動恒溫。自動恒溫。PTC熱敏電阻既是加熱器又是傳感器，起到感溫和控溫熱敏電阻既是加熱器又是傳感器，起到感溫和控溫的兩種作用。的兩種作用。 陶瓷暖風機陶瓷暖風機 居里溫度居里溫度開關電阻開關電阻 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：智能材料與結構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)充滿導熱硅脂，便于外傳感器的金屬管內(nèi)充滿導熱硅脂，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：智能材料與結構65電壓傳感器電壓傳感器電壓電壓轉換轉換器器12V輸入信號輸入信號02.5V輸出信號輸出信號張光磊：智能材料與結構66電流傳感器電流傳感器電壓電壓放大器放大器02.5V輸出信號輸出信號1A輸入信號輸入信號IR內(nèi)阻0.1 張光磊：智能材料與結構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換器轉換器02.5V輸出信號輸出信號1A輸入信號輸入信號IR靈敏電流計靈敏電流計張光磊：智能材料與結構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：智能材料與結構69計算機計算機 空調空調 電吹風電吹風 電

37、視機電視機 微波爐微波爐 電風扇電風扇 探探究究生生活活中中的的電電磁磁波波張光磊：智能材料與結構70手機發(fā)射與接收手機發(fā)射與接收CDMA手機手機GSM手機手機靜音接收靜音接收 0.62A 張光磊：智能材料與結構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不用壓縮機張光磊：智能材料與結構72傳感器內(nèi)有一個傳感器內(nèi)有一個用彈簧片支撐的質量用彈簧片支撐的質量塊，可以上下活動。塊，可以上下活動。固定電極固定電極1與質量與質量塊之間構成電容塊之間構成電容C1質量塊與固定電質量塊與固定電極極2之間構成電容之間構成電容C2C1C2固定電極固定電極1質量塊質量

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：智能材料與結構73硬盤防震硬盤防震 加速度傳感器應用加速度傳感器應用安全氣囊安全氣囊頸椎運動測量頸椎運動測量 張光磊：智能材料與結構74照相機防抖動系統(tǒng)照相機防抖動系統(tǒng)1、感光元件防抖感光元件防抖機身的機身的CCD框架產(chǎn)生框架產(chǎn)生相對移動，對成像落點相對移動，對成像落點進行矯正進行矯正（索尼）（索尼） 。2、光學防抖光學防抖 鏡頭中的對焦鏡產(chǎn)生鏡頭中的對焦鏡產(chǎn)生相對移動，對光路進行相對移動，對光路進行矯正矯正（佳能）（佳能） 。CCD框架移動框架移動加速度傳感器加速度傳感器張光磊：智能材料與結構75高速列車的車廂在轉彎時會發(fā)生傾斜，而高速列車

39、的車廂在轉彎時會發(fā)生傾斜，而頻繁的左右擺動，容易使人感覺暈眩。頻繁的左右擺動，容易使人感覺暈眩。利用利用加速度傳感器加速度傳感器，計算機根據(jù)列車轉彎，計算機根據(jù)列車轉彎的半徑和速度，自動調節(jié)每節(jié)車廂的傾斜角的半徑和速度，自動調節(jié)每節(jié)車廂的傾斜角度，從而達到高速、安全、舒適的目的。度，從而達到高速、安全、舒適的目的。自動調節(jié)車廂擺動的擺式列車自動調節(jié)車廂擺動的擺式列車列車轉向架列車轉向架 張光磊：智能材料與結構761.2驅動元件驅動元件驅動元件驅動元件張光磊：智能材料與結構771.2驅動元件驅動元件智能材料與結構對驅動元件的要求是：智能材料與結構對驅動元件的要求是：n(1) 驅動元件應能和結構基

40、體材料很好結合，具有高的驅動元件應能和結構基體材料很好結合，具有高的結合強度；結合強度； n(2) 驅動元件本身的靜強度和疲勞強度要高；驅動元件本身的靜強度和疲勞強度要高； n(3) 激勵驅動元件動作的方法要簡單相安全，對結構基激勵驅動元件動作的方法要簡單相安全，對結構基體材料無影響，激勵的能量要?。惑w材料無影響，激勵的能量要??； n(4) 激勵后的變形量要大，并能伴隨著產(chǎn)生激勵力控制；激勵后的變形量要大，并能伴隨著產(chǎn)生激勵力控制； n(5) 驅動元件在反復激勵下，保持性能穩(wěn)定；驅動元件在反復激勵下，保持性能穩(wěn)定；n(6) 驅動元件的頻率響應要寬響應速度要快、并能控驅動元件的頻率響應要寬響應速

41、度要快、并能控制。制。張光磊：智能材料與結構781.2驅動元件表3-4 常用驅動材料的部分性能指標材料性能壓電陶瓷PZTG-1195壓電薄膜PVDF壓電復合材料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電流變體最大驅動應變/10-61000700橫向900剪切37002000010002000屈服應力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重復性偏差10%，5000h張光磊：智能材料與結構791.2驅動元件合成應變/10-6350108500（奧氏體狀態(tài)）500580電流密度

42、2A/cm2頻率響應/Hz12000012000012000005120000120000120000最高使用溫度/200常溫150300300400200驅動方式電壓電壓電壓電流，溫度強電場強電場強電場驅動機理逆電壓效應逆電壓效應逆電壓效應形狀記憶效應材料中的電偶極子在外加電場作用下發(fā)生旋轉，電偶極子沿電場方向平行排列，使晶體結構變形在外加磁場中，材料內(nèi)部的小磁疇發(fā)生偏轉并沿磁場方向重新取向，使材料產(chǎn)生變形在電場作用下，膠質懸浮體迅速排列成相對有規(guī)律的鏈條柱狀形結構并具固體性質張光磊：智能材料與結構80主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1.2.1壓電陶瓷驅動器壓電陶瓷驅動器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形狀記憶合金驅動器形狀記憶合金驅動器1.2.4電致伸縮傳動器電致伸縮傳動器1.2.5磁致伸縮材料微位移驅動器磁致伸縮材料微位移驅動器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聚合膠體驅動器聚合膠體驅動器張光磊：智能材料與結構811.2.1壓電陶瓷驅動器壓電陶瓷驅動器三通道壓電陶瓷驅動器三通道壓電陶瓷驅動器 張光磊：智能材料與結構821.2.1壓電陶瓷驅動器壓電陶瓷驅動器由于壓電陶瓷具有把電能轉變?yōu)闄C械能的能力，由于壓電陶瓷具有把電能轉變?yōu)闄C械能的能力，因此當應用系統(tǒng)通電給壓電陶瓷時，使材料的自因此當應用系統(tǒng)通電給壓電陶瓷時

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，這種效應能產(chǎn)地使材料的尺寸發(fā)生改變，這種效應能產(chǎn)地200-300um的微應變。的微應變。張光磊：智能材料與結構831.2.1壓電陶瓷驅動器壓電陶瓷驅動器響應速度之快是其他材料所無法比擬的，是高精響應速度之快是其他材料所無法比擬的，是高精度、高速驅動器所必須的，并已應用于各種跟蹤度、高速驅動器所必須的，并已應用于各種跟蹤系統(tǒng)、門感應光學系統(tǒng)、機器人微定位器、磁頭、系統(tǒng)、門感應光學系統(tǒng)、機器人微定位器、磁頭、噴墨打印機和揚聲器等方面。噴墨打印機和揚聲器等方面。 張光磊：智能材料與結構841.2.1壓電陶瓷驅動器壓電陶瓷驅動器圖3

45、-7 疊加式壓電陶瓷驅動器 壓電陶瓷驅動器經(jīng)常采用如圖壓電陶瓷驅動器經(jīng)常采用如圖3-7 所示的導電聚合物粘結的多所示的導電聚合物粘結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，從而降低驅動采用疊加方式不但使壓電陶瓷片可以做得很薄，從而降低驅動器所需的電壓，而且還使驅動器位移增加。器所需的電壓，而且還使驅動器位移增加。 張光磊：智能材料與結構851.2.1壓電陶瓷驅動器壓電陶瓷驅動器FOu3u2u1圖3-8 壓電陶瓷驅動器的應變與驅動力的關系在電壓恒定的情況下，驅動力為零時變形最大；反之，變形為零時，驅在電壓恒定的情況下，驅動力為零時變形最大；反之

46、，變形為零時，驅動力最大。動力最大。壓電陶瓷驅動器在零壓電陶瓷驅動器在零(或固定或固定)應力下，因電場強度而產(chǎn)生的極限應變?yōu)閼ο?，因電場強度而產(chǎn)生的極限應變?yōu)?.1左右，達到極限后，增加電場強度基本不會引起變形的增加。左右，達到極限后，增加電場強度基本不會引起變形的增加。張光磊：智能材料與結構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級的位移。級的位移。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構圖1-電極；2-壓電陶瓷；3-芯體；4-工作件21212334張光磊：智能材料與結構871.2.3形狀記憶合金驅動器形狀記憶合金驅動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：智能材料與結構881.2.3形狀記憶合金驅動器驅動器由驅動元件和執(zhí)行機構兩部分組成。驅動器由驅動元件和執(zhí)行機構兩部分組成。驅動元件即驅動元件即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 旋轉位移型SMA電機（a）偏置式 （b）推挽式拉伸彈簧SMASMASMA張光磊：智能材料與結構891.2.3形狀

48、記憶合金驅動器驅動器的運行原理是：驅動器的運行原理是：n（1）對偏置式而言，加熱）對偏置式而言，加熱SMA彈簧，相變發(fā)生，形狀彈簧，相變發(fā)生，形狀回復力克服彈簧拉力，產(chǎn)生動作。冷卻時，回復力克服彈簧拉力，產(chǎn)生動作。冷卻時，SMA發(fā)生發(fā)生逆相變，此時，逆相變，此時，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，驅動器恢復到原來的位置。如此反復，可使驅動器輸出驅動器恢復到原來的位置。如此反復，可使驅動器輸出位移。位移。n（2）對推挽式而言，加熱一側）對推挽式而言，加熱一側SMA的同時，冷卻另一的同時，冷卻另一側的側的SMA，驅動器具有雙向做功的能力，驅動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，能量轉換效率高。轉換效率高。張光磊：智能材料與結構901.2.3形狀記憶合金驅動器應用應用nSMA驅動器非常適合于小負載、高速、高精度驅動器非常適合于小負載、高速、高精度的機器人裝配作業(yè)中使用，在電子顯微鏡內(nèi)樣的機器人裝配作業(yè)中使用，在電子顯微鏡內(nèi)樣品移動裝置、化學設備的反應裝置及原子反應品移動裝置、化學設備的反應裝置及原子反應堆中的驅動裝置上的應用太有前途。堆中的驅動裝置上的應用太有前途。張光磊：智能材料與結構911.2.3形狀記憶合金驅動器應用應用nSMA驅動器非常適合于小負載、高速、高精度的機器人裝配作業(yè)驅動器

50、非常適合于小負載、高速、高精度的機器人裝配作業(yè)中使用，在電子顯微鏡內(nèi)樣品移動裝置、化學設備的反應裝置及中使用，在電子顯微鏡內(nèi)樣品移動裝置、化學設備的反應裝置及原子反應堆中的驅動裝置上的應用太有前途。原子反應堆中的驅動裝置上的應用太有前途。n世界上許多工業(yè)發(fā)達的國家世界上許多工業(yè)發(fā)達的國家(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，形狀記憶臺金在空間技術、究，并取得了一定的成果。迄今為止，形狀記憶臺金在空間技術、醫(yī)療器械、機械器具、電子設備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生醫(yī)療器械、機械器具、電子設備、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、的應用。活各方面都得到了廣泛的應用。張光磊：智能材料與結構921.2.3形狀記憶合金驅動器應用應用n世界上許多工業(yè)發(fā)達的國家世界上許多工業(yè)發(fā)達的國家(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，形狀記憶臺金在空間技術、醫(yī)療器迄今為止，形狀記憶臺金在空間技術、醫(yī)療器械、機械器具、電子設備、能源開發(fā)、汽車工械、機械器具、電子設備、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用。業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應用。張光磊：智能材料與結構931.2.3形狀記憶合金驅動器 在醫(yī)學上的應用n合金作為驅動元件，具有可動的肩、

52、肘、腕及手指合金作為驅動元件，具有可動的肩、肘、腕及手指的微型機械手。的微型機械手。n手指和手腕靠手指和手腕靠TiNiTiNi合金螺旋彈簧的伸縮實現(xiàn)開閉和合金螺旋彈簧的伸縮實現(xiàn)開閉和彎曲動作，肘和肩是靠直線狀的彎曲動作，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作，各個形狀記憶合金驅動元件都由直接做彎曲動作，各個形狀記憶合金驅動元件都由直接通上的脈寬可調電流加以控制。通上的脈寬可調電流加以控制。 張光磊：智能材料與結構941.2.3形狀記憶合金驅動器形狀記憶合金能動型內(nèi)窺鏡形狀記憶合金能動型內(nèi)窺鏡 張光磊：智能材料與結構951.2.3形狀記憶合金驅動器腸道內(nèi)窺鏡式機器人

53、腸道內(nèi)窺鏡式機器人 張光磊：智能材料與結構961.2.4電致伸縮傳動器n電致伸縮傳動器是利用陶瓷材料的電致伸縮效應的新型電致伸縮傳動器是利用陶瓷材料的電致伸縮效應的新型機電轉換器件。機電轉換器件。n它是應光學、精密加工和微型馬達等領域對新的位移換它是應光學、精密加工和微型馬達等領域對新的位移換能器迫切需要而發(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，獨立疊層工藝陶瓷材料，獨立疊層工藝制作而成。它是一種高分辨率電壓控制微小應變的器件。制作而成。它是一種高分辨率電壓控制微小應變的器件。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：智能材料與結構971.2.4電致伸縮傳動器優(yōu)點：優(yōu)點：n工作電壓低、工作電壓低、n體積小、體積小、n結構緊湊、結構緊湊、n分辨率高、分辨率高、n響應快、響應快、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：智能材料與結構981.2.4電致伸縮傳動器應用：應用：它是光學、機械加工、電子、航空、生物、醫(yī)學、它是光學、機械加工、電子、航空、生物、醫(yī)學、遺傳工程和光纖通訊等領域中實現(xiàn)精度為遺傳工程和光纖通訊等領域中實現(xiàn)精度為0.01m的超精定位、超精加工、誤差補償、相的超精定位、超精

55、加工、誤差補償、相位調制等功能的理想執(zhí)行器件。位調制等功能的理想執(zhí)行器件。該器件定位精度可達亞微米級，分辨率可達到幾該器件定位精度可達亞微米級，分辨率可達到幾十納米，在精密機械中得到廣泛應用。十納米，在精密機械中得到廣泛應用。張光磊：智能材料與結構991.2.4電致伸縮傳動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：智能材料與結構1001.2.5磁致伸縮材料微位移驅動器磁致伸縮材料微位移驅動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變的材料稱為磁致伸縮材較大磁致伸縮應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變量僅有磁致伸縮應變量僅有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，沒有得到廣泛應用。廣泛應用。 張光磊：智能材料與結構1011.2.5磁致伸縮材料微位移驅動器磁致伸縮材料微位移驅動器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，其飽和磁致伸縮應變量達到，其飽和磁

57、致伸縮應變量達到1.510-3210-3，相當于傳統(tǒng)材料的，相當于傳統(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：智能材料與結構1021.2.5磁致伸縮材料微位移驅動器磁致伸縮材料微位移驅動器微位移驅動器的具體結構見圖微位移驅動器的具體結構見圖3-12。 超磁致伸縮棒螺線管線圈連接鋼球預緊螺栓導磁鈮鐵永磁鐵框架彈簧鋼片水冷管圖3-12 驅動器結構示意圖 永磁鐵產(chǎn)生一個偏置磁場，從而使驅動器工作在伸縮率最大及良好的線性段； 通過彈性鋼片，調整磁致伸縮棒上的預緊力，從而使磁滯最??； 通過改變驅動線圈中電流的大小，來改變棒中磁場的大小，進而控制位移。張光磊：智

58、能材料與結構1031.2.5磁致伸縮材料微位移驅動器磁致伸縮材料微位移驅動器圖圖3-13是超磁致伸縮材料的應用原理圖。由驅動是超磁致伸縮材料的應用原理圖。由驅動線圈提供磁場，線圈提供磁場，Terfenol-D棒材的長度會發(fā)生變棒材的長度會發(fā)生變化，從而將電能轉換成聲波或機械能輸出?；?，從而將電能轉換成聲波或機械能輸出。驅動線圈Terfenol-D棒材圖3-13 超磁致伸縮材料的應用原理圖張光磊：智能材料與結構1041.2.5磁致伸縮材料微位移驅動器磁致伸縮材料微位移驅動器磁致伸縮材料優(yōu)點：磁致伸縮材料優(yōu)點：n應變量和機電耦合系數(shù)大，響應速度快，與壓應變量和機電耦合系數(shù)大，響應速度快，與壓電材料

59、相比，它既沒有時效引起的極化衰減，電材料相比，它既沒有時效引起的極化衰減，也不會因為瞬間過熱而導致性能的喪失。也不會因為瞬間過熱而導致性能的喪失。其缺點：其缺點：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。主要應用于高精度快速微位移驅動器、主主要應用于高精度快速微位移驅動器、主動降噪減振系統(tǒng)等。動降噪減振系統(tǒng)等。張光磊：智能材料與結構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是響應快，剪切強度變化幅度大。電流變液的特點是響應快，剪切強度變化幅度大。它在結構減振降噪研究等方面取得了一些進展，它在結構減振降噪研究等方面取得了一些進展，需要改善的是降低轉換電壓，

60、提高長期穩(wěn)定性和需要改善的是降低轉換電壓，提高長期穩(wěn)定性和抗剪切強度等?？辜羟袕姸鹊?。電流變液用于汽車變速的原理可以通過一個簡化電流變液用于汽車變速的原理可以通過一個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：智能材料與結構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設動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)，則動力由齒輪1傳到齒輪2，帶動上部軸轉動，由于齒輪1的半徑大于齒輪2，所以輸出軸轉得較快。如果左邊施加外電場，右邊保持液態(tài)，則動力從齒輪3傳到齒輪4，輸出軸的