4. 智能材料与智能系统

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．
§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)．
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 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
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。
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。
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； 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．
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
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。
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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
体电阻
固体电解质 晶体管特性
TiO2
ZrHale Waihona Puke Baidu2
PdMOSFET
O2
O2,SO2 H2,CO,乙醇 H2,H2S
二极管整流特性 Pd/TiO2
５．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．
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 测量参数：电流、磁场 电场、电压 温度 振动、压力、加速度、位移
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． 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
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 １．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。
I I o 1 cos / 2
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。
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： 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 克服措施：
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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
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．
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． 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
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。 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
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 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
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
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
4．气体传感器
所利用的特性 实例 电 阻 型 非 电 阻 型 表面电阻 体电阻 SnO2 γ-Fe2O3 被检测的气体 可燃气体 乙醇，可燃气体
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。
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