4.智能材料与智能系统.ppt
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1、4.智能材料与智能系统,其他参考书1智能材料与智能系统杨大智主编天津大学出版社出版智能材料系统和结构杜善义,冷劲松和王殿富著科学出版社出版,4.1 绪 论,一功能材料的分类I感知材料:对外界(或内部)的刺激强度(如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等)具有感知功能的材料II驱动材料:对外界环境条件(或内部状态)所发生的变化能作出响应或驱动的材料(机敏材料或智能材料),二智能材料的定义以最佳条件响应外界环境的变化,且按这种变化显示自己功能的材料它们可以感到外界环境的变化,并针对这种变化作出瞬时主动响应,具有自诊断、自适应、自修复和寿命预报以及靠自身驱动完成特定功能(如振动控制)的能力,智能材
2、料和结构密切相关,互为一体,因此确切说法应为智能材料和结构(简称智能材料)它是材料科学、人工智能、信息科学、机械科学、生物科学、化学和物理等学科高度发展、相互交叉的产物。,三智能材料系统与结构的组成 母体材料传感器中央处理器驱动器通信网络,四智能材料系统与结构的基本组元材料感知材料信息材料 执行材料+机敏材料+智能材料,五智能材料的应用航天航空飞行器不同材料的连接处存在很大的应力集中,采用智能系统可加以调节并将其分散转移到别处;座舱壁采用智能系统能减弱振动和噪音,使飞机飞行更平稳;在关键部件上安装智能部件,起“神经系统”、“肌肉”、“大脑”作用,能感觉即将出现的故障,并作自我修复。,建筑与工程
3、结构可自行愈合的混凝土:I在混凝土中埋入内装入裂纹修补剂的空心纤维,当混凝土开裂时,空心纤维断裂,释放出粘结修补剂,从而把裂纹牢牢焊接在一起,防止裂纹扩展;II 在混凝土中放入电流变体,当传感器监测到振动时,可将振动信号输送给计算机,计算机根据振动情况对梁施加电压,使液体固化,使梁强韧性增加,当振动减弱后,电压消除,电流变体恢复液态,梁又变得很有柔性,机器人利用形状记忆合金独特的感知温度并出现位移、将热能转变为机械能的特性,将其安装在机器人的手足和筋骨动作部分,可使机器人依据环境温度执行各种动作任务。4日常生活 既保温又散热的衣服:活动量小时起保温作用,活动量大时起散热作用;人造胰腺细胞:根据
4、血糖水平释放胰岛素,4.智能结构中的传感系统,一传感器概述何谓传感器及敏感元件?一种将各种物理和化学信息按一定的规律转换成电信号的功能器件,具有信息感知、信息变换和信息传输的功能传感器技术是获取信息的手段,是构成现代信息技术的主要技术,它与信息处理的计算机技术、信息传输的通讯技术是现代信息技术的三大支柱。,2传感器的分类 温度传感器 力学量传感器 气体传感器 光传感器 磁传感器 湿度传感器 电压传感器 生物传感器 离子传感器,3温度传感器电阻式:陶瓷热敏电阻器(PTC,NTC,CTR)金属电阻器(正的电阻温度系数)PN结式:温度敏晶体管 集成温度传感器热电式:热电偶辐射式:光学测温计 光电测温
5、计,4气体传感器,光传感器利用光电导效应工作的光传感器:例如CdS光敏电阻利用光电效应工作的光传感器:例如硅光电二极管利用其他原理工作的光传感器:例如利用光电发射效应的光电倍增管,利用热释电效应的红外检测光传感器等,力学量传感器压力电阻式:加速度传感器荷重传感器压力电阻传感器(力敏电阻)压电式:加速度传感器荷重传感器扭矩传感器压力传感器光电、磁电式传感器:位移传感器其他:集成压力传感器 电容式压力传感器 Si热线式流量传感器等,7.磁敏传感器霍尔元件:利用半导体在磁场作用下的霍尔效应工作磁敏元件:利用半导体中的磁阻效应工作磁敏晶体管:利用磁场作用下结区导电性能的变化工作磁敏集成电路:把霍尔元件
6、或磁阻元件与单元电路集成于一块芯片上,制成集成电路的磁敏传感器。,8.湿度传感器 湿敏电阻器 湿敏电容器 湿敏晶体管9.电压敏传感器 按结构分:体型压敏传感器 结型压敏传感器 单颗粒层型压敏电阻器 薄膜型压敏电阻器,10.生物传感器 利用酶、抗体、微生物等作为敏感元件的探测器,将探测器上所产生的物理量、化学量的变化转变为电信号的一种传感器。必须具有识别功能的生物敏感膜感受器和换能器两部分。类型:A.酶传感器:基本组成:固化后的酶膜+气体电极=酶电极 葡萄糖传感器通过测定酶作用后氧含量实现定糖.反应式:C6H12O6+O2C6H10O6+H2O2 生物催化剂为葡萄糖生物酶,B.微生物传感器 基本
7、组成:固化的微生物膜+电化学装置 分为:好气性微生物和厌气性微生物C.免疫传感器 利用抗体对抗原的识别功能和与抗原结合的功能工作的.生物电子传感器 基本组成:生物功能膜离子敏场效应管(ISFET)E.光生物传感器基本组成:催化发光反应的酶光电二极管或晶体管等半导体器件,二智能结构中的光纤传感系统,1.智能材料与智能系统中传感系统的选择:A.满足强度相容要求 埋入后不使原材料强度下降或下降很小 测量动态范围应与基体材料的工作强度和外加载荷相匹配 B.满足界面相容要求 C.满足工艺相容要求 埋入不给基体材料的生产带来困难;传感介质能经受基体材料制作中压力等的考验 D.满足场分布相容要求 埋入后不影
8、响基体材料内各种物理场(例如应力场、电磁场、振动模式)的分布,E.满足尺寸相容要求 应有足够小的体积,不影响基体材料组分和物理性能的连续性2.光纤传感器的特点:A.电绝缘 B.抗电磁干扰 C.非侵入性(无论对电磁场还是速度场)D.高灵敏度 E.容易实现对被测信号的远距离监控,3.光纤传感器类型A.干涉型光纤传感器:相位调制光纤传感器:光学现象:磁致伸缩磁致伸缩萨格纳克效应光弹效应等 测量参数:电流、磁场,电场、电压,角速度 振动、压力、加速度、位移 温度,萨格纳克效应概述 英文名称:sagnac effect 1911年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束,
9、让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合,然后在屏幕上产生干涉。这就是萨格纳克效应。萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。萨格纳克效应已经得到广泛的应用,由萨格纳克效应研制出的光纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域,是近20年发展较快的一种陀螺仪。,这一在惯性空间中,由光敏感转动的效应称为SAGNAC效应.光纤陀螺工作原理框图如图1所示.由光源发出的光,经藕合器传输到Y一波导调制器.Y一波导调制器将其输入光分成顺时针和逆时针传输的两束,进人保偏光纤环圈,以实现SAGNAC效应,这种现象称为Sagnac效应,光纤陀螺仪实质上就是一种Sagnac干涉仪.对于光纤陀螺仪
10、的性能测试主要涉及以下几个技术参数:标度因数K(Scale Factor)陀螺仪输出量与输入角速率的比值,B.非干涉型光纤传感器I.偏振调制光纤传感器 光学现象:法拉第效应(透射光)泡克尔斯效应(反射光)双折射效应(科顿-蒙顿效应)光弹效应测量参数:电流、磁场 电场、电压 温度 振动、压力、加速度、位移,II.强度调制光纤传感器遮光板遮断光路:温度,振动,加速度,位移半导体透射率:温度荧光辐射,黑体辐射:温度光纤微弯损耗:振动,压力,加速度,位移振动膜或液晶的反射:振动,压力,位移气体分子吸收:气体浓度光纤泄漏膜:液位,III.频率调制光纤传感器多普勒效应:速度,流速,振动,加速度受激喇曼散射
11、:气体浓度光致发光:温度IV.颜色调制光纤传感器热色效应:温度黑体辐射:温度吸收光谱:pH值磷光光谱:温度,4.智能材料与结构用特种光纤特殊要求 与复合材料的相容性好 动态测量范围宽 便于扩展探测 便于增加新的检测项目 便于开辟新的功能 系统的可靠性高,B.细径光纤 光纤对复合材料性能的影响:I当光纤夹在加强纤维的两直排层间并与加强纤维平行,对复合材料沿此方向的拉伸强度的影响可忽略不计适用于测量温度和应变II当光纤靠近最大应变表层,并与上、下直排加强纤维正交时,纤径增大会增大纤维周围的树脂富集区,使复合材料强度下降,此时应采用细径光纤适用于检测断裂临界负载造成的损伤结论:采用细径光纤对基体的性
12、能影响最小,光纤与加强纤维的各种取向示意图,光纤周围的树脂富集区示意图,特殊涂覆光纤光纤涂层的作用:改善光纤与基体材料的耦联性改善光纤的耐高温性能使复合光纤具有较高的弹性模量目前最为理想的实用化光纤涂层:聚酰亚胺涂层光纤(唯一理想实用的光纤),抗疲劳光纤影响硅基光纤长期可靠性的两个重要因素:静态疲劳引起的光纤强度衰减;原因:使用导致微裂纹末端应力集中渗氢引起的光纤损耗增加原因:环境和树脂释放氢气克服措施:先沉积一层无定形碳,再沉积有机树脂涂层:无论是耦合还是抗疲劳涂层,均可采用金属涂层,但最成熟的还是有机涂层(前者)和碳涂层(后者),涂碳抗疲劳光纤结构示意图:,单模保偏光纤引子:随着技术的发展
13、,由振幅调制向相位和偏振调制发展普通光纤受外界温度、应力、微弯等因素的影响,产生线性双折射和圆双折射,使两个偏振模发生耦合,传输光束的偏振状态在空间和时间上随机变化,妨碍了它在干涉型光纤传感器中的应用。克服措施:人为增加光纤内部的双折射,使其远远超过上述各种因素引起的影响,使被激励的一个偏振本征模的功率不会耦合到另一个正交模中,从而保证了入射偏振状态的稳定。-高双折射光纤,几种保偏光纤的结构:(保偏理论依据:人为引入应力,利用光弹效应产生双折射),F.双模光纤 引子:干涉型光纤传感器必须有信号(信号臂)和参考(参考臂)两条通道,以便形成干涉.若两者都埋入复合材料中,则产生同样的相位变化,起不到
14、参考的作用若将参考臂置于复合材料外或加以屏蔽,则不适于实际应用,措施:用单根光纤中两个不同的传输模分别作为信号通道和参考通道,代替干涉仪中的两根光纤,不但可克服上述的困难,而且能使埋入光纤数减少一半.G.同心双通道光纤 组成:中心是弱波导单模纤芯 周围是环状大数值孔径多模纤芯,工作过程及其特点:I当光纤在复合材料中受到扰动时,光从弱波导单模纤芯部分泄漏到多模环形芯中II在环形波导中,光的传播速度与在单模芯中不同,因此在光纤检测端能先后收到两个信号,一个来自中芯,一个来自环形芯III信号到达时间差确定了扰动位置,环形多模芯中的强度确定了扰动的大小,智能材料和智能结构中的四种光纤传感器(一)A.马
15、赫泽德(Mach-Znhnder)光纤传感器 结构示意图:,特点:I干涉光强度与相位差有关在/2处灵敏度最高II.在参考臂中设置相位调制器,将信号光与参考光的相位差总保持在/2处(零差检测)III相位调制器由PZT环及绕在其上的部分参考光纤组成工作时,驱动电压使PZT环膨胀,导致参考光纤内相位变化,从而保持信号光与参考光之间/2的偏置IV.仅适用于实验室,麦克尔逊(Michelson)光纤传感器 结构示意图:,特点:信号臂与参考臂同时埋入复合材料中,且靠得非常近信号臂比参考臂长的一段是干涉仪的探测区域,待测场使该区域信号光纤产生相对相位差,并经耦合器输出检测克服了参考光纤不在材料内部的缺点,省
16、去了一个耦合器探测区域小,提高了测量的空间分辩率具有双光纤共同的缺点:共模抑制能力较弱不适宜用于低频应变测量由于具有高的灵敏度,常用来测量材料中低能量的高频信号,如复合材料层间开裂时的声发射。,法里布珀罗(Fabry-Perot)光纤传感器 结构示意图,本征型光纤F-R传感器的结构与制作:方法一:先在光纤两端面溅射一薄层TiO2或蒸发一层金属膜,控制其厚度以获得适当的反射率,然后再熔接在一起优点:制作工艺简单缺点:熔接端面镀有金属或介质膜,使光纤强度下降,方法二:在纤芯周围约15m直径范围内镀反射膜,从而使光纤包层断面完全熔接优点:一般单模光纤的纤芯面积只占光纤截面的1%以下,因而可以保证熔接
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