167;5.智能材料与器件及其智能结构系统
智能材料的合成和器件设计
智能材料的合成和器件设计随着现代科技的不断发展，智能材料得到了越来越多的应用和关注。
智能材料是指具有感知、适应和响应能力的材料，其主要特点是能够根据外界刺激实现形态、功能或者结构的变化。
智能材料的合成和器件设计一直是研究的热点之一，本文将讨论智能材料的合成方法、器件设计和应用前景。
一、智能材料的合成方法智能材料的合成方法多种多样，根据制备的材料不同，可以分为主要有高分子材料、金属材料和无机材料三大类。
1.高分子材料的合成方法高分子智能材料是指由高分子构成的材料，其特点是构成简单、制备容易，应用范围广泛。
高分子材料的合成主要有以下几种方法：（1）原位聚合法原位聚合法是指通过聚合反应将单体分子聚合成高分子链，从而形成智能材料的方法。
这种方法的优点是制备简单，操作方便，但是它的缺点是合成材料的分子量难以控制。
（2）共聚法共聚法是一种高分子材料的合成方法，它利用单体间的不同反应性，在不同的自由基聚合体系中聚合。
这种方法的优点是合成材料的结构复杂，分子量可控，制备具有一定的灵活性。
（3）交联法交联法是一种将高分子链组成三维网状结构的方法。
它可以通过化学或物理方法将线性高分子链交联形成桥连结构的方法，从而形成智能材料。
这种方法的优点是可以制备具有较高稳定性的材料，但由于制备方法比较复杂，需要控制反应条件，因此需要一定的技术含量。
2.金属材料的合成方法金属智能材料是由金属或金属合金制成的材料，其特点是具有较高的强度和刚性，同时也具有良好的变形和形状记忆性能。
金属材料的合成方法主要有如下几种：（1）化学蒸气沉积法化学蒸气沉积法是将金属化合物裂解分解为金属的方法。
这种方法的优点是合成的材料纯度高、晶粒尺寸小，并且制备的材料具有较好的力学性能。
（2）溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是指利用溶胶和凝胶相转化的特性，将金属离子在水-有机相中的溶胶状态下先制备出金属含量较高的溶胶，然后通过加入适当量的凝胶剂促使溶胶变成固体凝胶，最终高温钙化形成金属材料。
智能材料与结构
• 该材料具有模仿生物体的自增值性、自 修复性、自诊断性、自学习性和环境适 应性。将具有仿生命功能的材料融合于 基体材料中，使制成的构件具有人们期 望的智能功能，这种结构称为智能材料 结构。它是一个类似于人体的神经、肌 肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材 料就相当于人体的骨骼。
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• 而智能材料是能够感知环境变化，通过 自我判断和结论，实现和执行指令的新 型材料。智能材料的研究就是将信息与 控制融入材料本身的物性和功能之中， 其研究成果波及了信息、电子、生命科 学、宇宙、海洋科学技术等领域。它的 研究开发孕育着新一代的技术革命。智 能化将成为21世纪高分子材料的重要发 展方向之一。
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• （1 ）提高驱动元件本身的性能，满足上 述六条要求； • （2） 改善驱动元件的激励方法； • （3） 研究多种激励元件组合使用的方法， 达到取长补短的目的； • （4） 研究新型的复合驱动元件； • （5 ）研究驱动元件在材料中的布置方案。
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• 传感器、致动器和控制器是智能结构的 重要部分。传感器要求有高度感受结构 力学状态的能力，在振动系统中即能把 位移、速度或加速度等信号转换成电信 号输出，它直接反应实时的振动状态， 所以它必须有足够的可靠性、敏感性和 较高的反应速度，以便能迅速、准确地 得到振动信息；另外，还要求其具有体 积小，易于集成的特点。
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• 无机非金属系智能材料的初步智能性是 考虑局部可吸收外力以防止材料整体变 坏。目前此类智能材料在电流变流体、 压电陶瓷光质变色和电质变色材料等方 面发展较快。 • 高分子系智能材料的范围很广泛。作为 智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研 究和开发非常活跃，其次还有智能高分 子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药 物释放体系和智能高分子基复合材料等。 • 根据结构来分，智能材料结构可以分成 10 两种类型，分述如下：
智能化背景下智能材料结构系统应用研究
智能化背景下智能材料结构系统应用研究福山热力集团有限公司 迟永贤由于各类的科学技术手段层出不穷，推动社会高速发展，在对土木工程进行建设的过程中越来越多的将智能化的材料与技术引入其中，从而显著的提升工程施工的效率与质量。
在开展实际工作的过程中，科学技术人员在偶然的一次实验中发现碳纤维和光电导电的纤维可以进行反应，制造出全新的智能材料，该项材料具有较强的感知性与抗断性。
深入的研究之后发现，智能材料具有普通材料没有的特征与功能。
智能材料会按照内部状况与环境状况进行变化，做出高效、精准与恰当的反应，进行自动的调节、分析与修复等功能，已经被较为广泛的运用在土木工程的建设工作中。
一、智能材料类别与特征（一）智能材料类别对智能材料进行分类的时候，需要依照应用与研究情况进行严格的细分，具有以下两种类别[1]：1.传感材料传感的材料主要是运用光纤维持性的压电材料得以实现。
主要对电、热、声以及光进行分析，分析其中的化学变化。
2.驱动材料该材料的关键组成成分由两个层面组成，一个层面是：压电材料，另一个层面是：形状记忆类型的合金。
二者关键的作用是对建筑工程与土木工程内部结构的变化造成影响。
与此同时，不同类别的材料的会随着环境的影响不断的变化，产生的感应效果是不同的。
智能性的材料将现代化的信息技术引入其中，将结构的功能进行智能化的升级。
智能材料结构最为核心的内容就是运用智能化的材料，智能材料的用途与功能有所不同，从而为土木工程提供了质量与应用的基础性保障[2]。
（二）智能材料特征1.传感和反馈智能材料可以较好地对外部与自身所在的环境进行感知，将相关的输入与输出的信息存储在对比的系统中，而后将数据信息对比的结果传递到控制系统之中。
2.信息识别积累与处理对信息量进行累计作为智能化材料，可以识别传感器设备网络中获得到的各类数据信息，对数据信息进行累计，应答作为可以按照外部环境与内部的条件进行具体的变化与反应的行为。
二、智能材料结构系统在土木工程中的应用智能材料结构系统在土木工程中的应用关键是在工程建设中的监控与实时的评估环节中，将智能化的材料广泛的运用到土木工程建设中，能够有效的规避安全事故的发生，规避由于施工问题导致要重新的施工的状况出现，从而保障施工的成本。
5-智能材料
❖ 在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和 微处理控制系统制成的智能蒙皮
——可用于预警、隐身和通信。
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❖ 美国海军和英国皇家海军计划用于取代E-2“鹰眼” 预警机的WV-22预警机
——它将采用先进的嵌入机身和机翼的相控阵雷达， 即所谓的“智能蒙皮”。
到的各种参数传感到结构体系的普通计算机内 ❖ 另一种是在智能材料中埋入超小型电脑芯片
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（4）驱动材料
❖ 可根据温度、电场或磁场的变化改变自身的形状、 尺寸、位置、刚性、阻尼、内耗或结构等
——对环境具有自驱动材料又是敏感材料， 起到身兼二职的作用
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（2）人造皮肤
❖ 人造皮肤智能材料，可感知温度、热流的变化以 及各种应力的大小，并且有良好的空间分辨力
❖ 这种智能材料还可以分辨表面状况，如粗糙度、 摩擦力等
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（3）智能药物释放体系
➢ 以智能材料为载体材料 ➢ 根据病情所引起的化学物质和物理量（信号）的
变化自反馈控制药物释放的通/断特性
（4）环境自适应结构
❖ 智能结构制成的自适应机翼： ➢ 能够实时感知外界环境的变化 ➢ 并可以驱动机翼弯曲、扭转 ——从而改变翼型和攻角，以获得最佳气动特性，
降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。
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——F-14雄猫飞机将刚性的机翼通过巨大、沉重的 曲轴安装在机身上，可调机翼。
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❖ 自动加固的直升飞机水平旋转叶片：
❖ 常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤 材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电（磁） 流变体和液晶材料等
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光纤传感器
➢ 将一光源发出的光学性质保持不变的光通过某种 固定的耦合方法入射到光纤
智能材料与结构专业学什么
智能材料与结构专业学什么智能材料与结构专业是一门涵盖了材料科学、力学、电子学等多个学科领域的综合学科。
在现代科技的快速发展中，智能材料与结构专业正日益受到重视。
本文将介绍智能材料与结构专业学习的主要内容和未来发展方向。
1. 引言智能材料与结构专业旨在研究和开发具有智能特性和功能的新型材料和结构。
智能材料是一类能够对外界刺激作出相应改变的材料，比如形状记忆合金、压电材料等。
这些智能材料具有自愈合、自修复、自适应等特性，可以应用于各个领域，如航空航天、自动化、医疗等。
2. 主要学习内容智能材料与结构专业学习的主要内容包括：2.1 材料科学基础学生需要掌握材料科学的基本知识，包括材料性能、组织结构、力学性能等方面的理论和实验技术。
此外，学生还需要了解各类材料的制备和加工工艺，以及材料的应用领域和市场需求。
2.2 智能材料的原理与应用学生需要学习智能材料的原理和特性，包括形状记忆材料、压电材料、光致变色材料等。
他们还应了解智能材料在传感器、执行器、能量转换等方面的应用，并能够设计和制造具有特定功能的智能材料。
2.3 结构力学和分析在学习智能材料的同时，学生还需要学习结构力学和分析的基础知识。
他们需要了解结构力学的原理和计算方法，能够对智能结构进行性能分析和设计。
2.4 智能材料与结构的仿真与优化学生需要学习使用计算机软件进行智能材料与结构的仿真和优化。
他们将学习使用有限元分析、计算流体动力学等数值方法，通过计算机模拟研究智能材料和结构的性能、响应和优化。
3. 未来发展方向智能材料与结构专业的未来发展方向主要有以下几个方面：3.1 新材料的研发与应用随着科技的进步，新型智能材料的研发和应用将成为智能材料与结构专业的重要方向。
例如，研究开发更环保、更高效的智能材料，创造出更多适用于不同领域的智能结构。
3.2 智能化技术在工程实践中的应用智能材料与结构专业将会越来越多地应用于工程实践中。
例如，在航空航天领域，智能材料与结构能够提高飞机的性能和安全性；在建筑领域，智能材料与结构能够提高建筑物的节能性和抗震性。
智能材料系统与结构
智能材料系统和结构介绍摘要人类总是把自然作为工程的灵感，不论是在设计还是在执行上。
在智能材料系统与结构领域的构思上，其发展也不例外。
Zuk和Clark在《动力学体系》一书中写道：“生命本身是一种运动，从单个细胞到最复杂的组织——人类……正是运动、灵活、变化、适应这些特性将生命体置于比静态物质更高的进化程度上。
事实上，这些生物的生存依赖于它们的运动能力：自我强健，自我医疗，自我繁殖，适应变化和适应环境……”创造一种更高级的材料系统和结构，使它具有感知、激励、控制和智能这些“生命”功能，这种构思鼓舞和激励了在这个新领域努力的开始。
本文包括了关于智能材料系统与结构的一些较早的描述，并且介绍了与智能系统相关的各种概念、定义和分类。
本文对智能材料系统领域中应用的一些驱动和传感材料作了简单的调查，并以此来举例说明已取得的进步和研究中的构想。
引言“智能的”、“灵巧的”、“感知的”、“适应的”和许多其它的术语都用来描述或对材料和结构分类，这些材料和结构拥有它们自己的传感器、驱动器和计算控制能力或硬件。
一个已提出的智能材料的定义是：具有固有的或完整的智能性，能对外加负载或外界环境等外界激励产生自适应的材料。
这种材料的控制或智能是通过材料组成、加工处理、缺陷和微观结构来决定的，或者是适应不同等级激励的控制方式来实现的。
智能结构可能简单的由智能材料系统构筑而成，组成驱动器、传感器和一些更为离散的智能结构。
绝大部分早期的“灵巧材料”主要为嵌入式或分布式的压力和温度传感器。
但是，目前在材料、驱动器、传感器和控制器领域，智能材料系统的复杂性和效用每月都在迅速发展。
虽然智能材料系统和结构的观念可以应用到建筑、堤坝、桥梁、管道、船舶和各种运载工具的设计和落实上，但是目前的研究主要还是面向先进航空器、发射器和大型太空平台等航空航天领域的潜在应用。
为了对相关学科的概念和差异有所理解，这里提出两个明确的定义。
第一个定义是来自于Wada,Fanson和Crawley的一篇文章(1990)，在这篇文章中他们试图建立一个框架来对结构系统分类。
智能结构与智能机构PPT课件
4.2 目前遇到的难题
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智能结构驱动器 智能结构传感器7
Thank you!
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结构健康监测与诊断系统）
机器人
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3.1 自适应机翼
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3.1 自适应机翼
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3.1 自适应机翼
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3.2 碳纤维混凝土温度自诊断自适应结构
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3.3 微型机器人
TiNi是SMA（形状记 忆材料）中一种。 SMA的伸缩实现开闭 屈伸动作。
智能结构也可以定义成：可以根据外部条件和内部条件主动
地改变结构特性以最优地满足任务需要的结构。外部条件可能 包括环境、载荷或已制造出及已在使用中的结构几何外形。内 部条件可能包括对材料或结构的局部区域的破坏、失效的隔离 和改变载荷传输途径等。
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1.1智能结构材料
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1.电磁流变体
在20世纪40年代末期，人们发现在普通的流体中掺 入适当的磁性悬浮物。就成为电磁流变体。当外加 磁场作用在这种流体上时，由于悬浮物磁向与外磁 场一致，就大大约束了流体的运动，整个流体呈现 固体化的性质。而且反应之快，是在短于微妙级的 时间间隔内完成的。
悬浮物为磁性体时称为磁流变体（MR），而悬浮 物是电介质时称为电流变体（ER）。
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3.4 螃蟹机器 人
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螃蟹机器人
Riririr
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日本Kondo Hexapod /六脚机器人
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4.展望
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我对智能材料与结构的理解
我对智能材料与结构的理解经过八周的学习与了解，我对智能材料与结构这个概念认识了不少。
身为材料学子，更应该多积累有关材料方面的知识。
材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，是人类进步的里程碑。
随着科学技术的发展，特别是20世纪80年代以来，现代航空、航天、电子、机械等领域技术的飞速发展，人们对所使用的材料性能提出了越来越高的要求，传统的结构材料或功能材料已不能满足要求，材料科学由单一的、仅具有承载能力的结构材料或功能材料向多功能化、智能化的结构材料发展。
而所谓智能材料，并不只是一家之言，可谓是百家争鸣。
大体说来，智能材料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。
且其需具备以下内涵：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等；(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏,及时和恰当；(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。
说到智能材料的构成，可以大体概括为四部分。
（1）基体材料基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。
一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。
其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。
（2）敏感材料敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。
常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。
（3）驱动材料因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。
常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。
可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。
智能材料
智能材料-结构和概念
智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执行系 统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它 的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。 今后的研究重点包括以下六个方面： 智能材料概念设计的仿生学理论研究； 材料智然内禀特性及智商评价体系的研究； 耗散结构理论应用于智能材料的研究； 机敏材料的复合-集成原理及设计理论； 智能结构集成的非线性理论 ； 仿人智能控制理论；
智能材料
智能材料-结构和概念
智能材料是1989年由日本高木俊宜教授在日本科学 技术厅航空、电子等技术评审会上提出的。它是将信息 科学融合于材料物性的一种材料新构思。 智能材料：目前还没有统一的定义，但是现有智能材料 的多种定义大同小异。大体来说，智能是指具有感知环 境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、 判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材 料。智能材料必需具备感知、信息处理和执行功能。 智能材料来源于功能材料，功能材料是智能材料的 基础。
智能材料-结构和概念
智能材料按基材分类 金属系智能材料：主要指形状记忆合金材料(SMA)，是一 类重要的执行器材料，用其控制振动和结构变形。强度 比较大、耐热性好、耐腐蚀性能好，主要用于航空、航 天、原子能。工业上能够检测自身的损伤并将其抑制， 具有自修复功能。 无机非金属系智能材料：能够局部吸收外力以防材料整 体破坏。主要包括压电陶瓷、电致伸缩陶瓷,电(磁)流变 体等。 高分子系智能材料：多重亚稳态、多水平结构层次、较 弱的分子间作用力，侧链易引入各种官能团，利于感知 和判断环境，实现环境响应。
压电效应的表征 1、压电常数：压电体把机械能转变为电能或把电能转变 为机械能的转换系数。衡量材料压电效应强弱，直接关 系到压电输出灵敏度。相关参数有弹性系数(应变S和应力 T)、电位移D和电场强度E。
智能材料与结构的研究
智能材料与结构的研究作者：张悦贾隆基来源：《西部论丛》2020年第09期摘要：未来社会发展的趋势是智能化，智能化的首要问题是大力发展智能材料，智能材料的研究是材料科学研究的重要方向。
智能材料的本质特征是材料具有仿生功能，即材料能根据感受到的信息而自动判断、控制和调整以适应外界条件变化 .诱人的智能时代正向我们走来，为了迎接智能时代和促进社会生活智能化进程，本文介绍了智能材料与系统（结构）的基本概念，探讨了智能材料光明的应用前景和发展趋势。
关键词：智能材料;建筑;发展;趨势1 智能材料与结构的特性智能材料与结构具有敏感特性、传输特性、智能特性和自适应特性这四种最主要的特性以及材料相容性等。
在基础构件中埋入具有传感功能的材料或器件，可使无生命的复合材料具备敏感特性;在基础材料中建立类似于人的神经系统的信息传输体系，可使结构系统具备信息传输特性。
智能特性是智能材料与结构的核心，也是智能材料与普通功能材料的主要区别。
要在材料与结构系统中实现智能特性，可以在材料中埋入超小型电脑芯片，也可以埋入与普通计算机相连的人工神经网络，从而使系统具备高度的并行性、容差性以及自学习、自组织等功能，并且在“训练”后能模仿生物体，表现出智慧。
智能材料与结构的自适应特性可以通过在材料系统中置入各种微型驱动系统来实现。
微型驱动系统由超小型芯片控制并可作出各种动作，使材料系统能自动适应环境中的应力、振动、温度等变化或自行修复构件的损伤。
目前常用的微型驱动系统由形状记忆合金、磁致伸缩材料、电流变体等构成。
一般说来，单一材料很难同时具备上述各种特性，通常要将多种材料复合或组装，构成智能材料系统或智能结构体系。
早期的智能材料往往是各种特性集于一身，因此种类很少，形状记忆材料、光致变色玻璃是这类材料的代表。
70年代末光纤传感技术的出现和微电子技术的高速发展，给智能材料与结构的研究注入了新的活力，带来了观念上的转变，科技工件者开始对智能材料的四大特性分别进行处理，按需要分别进行设计，在此基础上“装配”性能优异的智能材料与结构系统。
智能材料结构综述
智能材料结构综述摘要本文综述了智能材料结构及系统的相关问题，阐述了智能材料的基本概念、分类方法和关键技术；描述了智能材料的实际应用现状和未来发展。
智能材料的研究内容十分丰富，涉及许多前沿学科和高新技术，应用领域十分广阔。
智能材料结构系统的研究应用必将把人类社会文明推向一个新的高度。
关键词：智能材料结构；关键技术；实际应用；未来发展AbstractIn this paper, the related issues dealt with smart/intelligent materials and its systems are reviewed. The basic conception, classification and key technology of the materials is explained.The present situation and the future development of the intelligent materials is described. The research content of the materials is abundant. The materials deal with many forward subject and high techniques and Can be used in various aspects. The research of smart/intelligent material systems will certainly carry human beings’ civilization to a new summit.Key Wards: smart/intelligent materials; key technology; present situation; future development1引言材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，是人类进步的里程碑。
功能材料----智能材料讲解
第六章
第二节 金属系智能材料
二.磁致伸缩材料 目前磁致伸缩智能材料的主流是稀 土磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料 是近期才发展起来的一种新型功能材料。 磁致伸缩材料在电磁场的作用下可以 产生微变形或声能，也可以将微变形或 声能转化为电磁能。
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第六章
第二节 金属系智能材料
磁致伸缩大小可以用磁致伸缩系数λ＝ ΔL/L（相对伸缩量）表示。
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第六章
第一节 智能材料的定义
三.智能材料的分类
按照组成智能材料的基材来划分：
(1)金属系智能材料 主要指形状记忆合金 材料(SMA)，形状记忆合金是一类重要的执 行器材料，可用其控制振动和结构变形。
(2)无机非金属系智能材料 主要包括压电 陶瓷、电致伸缩陶瓷，电(磁)流变体等。11 Nhomakorabea 第六章
第一节 智能材料的定义
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第六章
(3)形状 记忆合金
第一节 智能材料的定义
理想的驱动器，通常以细丝状态用于智能 结构，它主要适用于低能量要求的低频和 高撞击应用。
在电位差作用下，粘度发生显著变化。它 (4) 可以作为空间结构用驱动器，用于结构减 电流变液 振；填充在复合材料的直升机旋翼叶片内 腔中用来控制旋翼刚度，达到减振目的。
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第六章
第一节 智能材料的定义
因此智能材料必须具备三个基本要 素：感知、信息处理和执行功能。
智能材料的构想来源于仿生学，它的目标
就是想研制出一种材料，使它成为具有类
似于生物的各种功能的“活”的材料。
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第六章
第一节 智能材料的定义
二.智能结构与系统 智能结构与系统是把传感器、驱动器、 光电器件和微处理机等埋在复合材料中， 形成的既能承载又具有某些特定功能的 功能性结构材料，即是将不同功能的材 料通过不同层次的“复合”赋予材料多 重功能，这就形成所谓智能材料结构与 系统的概念。
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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。
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．
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
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
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
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
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：
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:
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
§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．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)．
• 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。
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
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．
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．
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：
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．
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；
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。
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，