167;5.智能材料与器件及其智能结构系统

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§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 2.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.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.
4.智能材料和智能结构中的四种光纤传感器(一) A. 马赫—泽德(Mach-Znhnder)光纤传感器
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
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Байду номын сангаас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
B.麦克尔逊(Michelson)光纤传感器 结构示意图:
特点: I. 信号臂与参考臂同时埋入复合材料中,且靠得
非常近. II. 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. III. 克服了参考光纤不在材料内部的缺点,省去了 一个耦合器. IV. 探测区域小,提高了测量的空间分辩率. V. 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. VI. 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。
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.
• 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
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.
3.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。
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 A. 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.
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:气体浓度 光致发光:温度
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.
6.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
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.
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
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
+ ++
+
+
智能材料
机敏材料
五.智能材料的应用
1.航天航空飞行器
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:
E.单模保偏光纤
引子:
随着技术的发展,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。
D. 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
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
C.特殊涂覆光纤 光纤涂层的作用:
• 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,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。
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.
4.气体传感器
所利用的特性 实例
被检测的气体
电 表面电阻
阻 体电阻 型
体电阻
SnO2 γ-Fe2O3 TiO2
可燃气体 乙醇,可燃气体 O2
非 固体电解质 ZrO2
O2,SO2
电 二极管整流特性 Pd/TiO2 H2,CO,乙醇
阻 型
晶体管特性
Pd-
H2,H2S
MOSFET
5.光传感器 利用光电导效应工作的光传感器:
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。
2.建筑与工程结构
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;
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
光电测温计
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:
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:根据血糖水平释放胰岛素
§4.2 智能结构中的传感系统
一.传感器概述 1.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。
结构示意图:
特点:
I.干涉光强度与相位差有关
I Io 1 cos / 2
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
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)
D.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
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