智能器件zhang

1、1智能器件智能器件 张光磊：智能材料与结构2【本章学习目标】掌握：掌握：n典型传感元件、驱动元件和控制元件的结构原典型传感元件、驱动元件和控制元件的结构原理、分类与应用。理、分类与应用。 了解：了解：n传感元件、驱动元件和控制元件的功能、性能传感元件、驱动元件和控制元件的功能、性能指标与特点。指标与特点。张光磊：智能材料与结构3【本章教学要点】知识要点知识要点能力要求能力要求相关知识相关知识传感元件传感元件了解传感元件的功能、性能指标与了解传感元件的功能、性能指标与特点，掌握光纤传感器，压电传特点，掌握光纤传感器，压电传感器和电阻应变丝等典型传感元感器和电阻应变丝等典型传感元件的结构原理、分类

2、与应用件的结构原理、分类与应用传感器传感器驱动元件驱动元件了解驱动元件的功能、研究内容、了解驱动元件的功能、研究内容、性能要求和种类。掌握压电陶瓷性能要求和种类。掌握压电陶瓷驱动器、形状记忆合金驱动器、驱动器、形状记忆合金驱动器、电致伸缩传动器等驱动元件的结电致伸缩传动器等驱动元件的结构原理与应用。构原理与应用。驱动器驱动器控制元件控制元件了解控制元件的功能与典型应用了解控制元件的功能与典型应用控制器，调节器，控制器，调节器，继电器继电器张光磊：智能材料与结构4学时安排建议学时：建议学时：6学时学时1 传感元件（传感元件（2学时）学时）2 驱动元件（驱动元件（ 2学时）学时）3 控制元件（控制

3、元件（ 2学时）学时）张光磊：智能材料与结构51.智能器件智能点钞机张光磊：智能材料与结构61.智能器件台凌智能变频器 张光磊：智能材料与结构71.智能器件智能功率器件智能功率器件张光磊：智能材料与结构81.智能器件智能型干式电容器智能型干式电容器张光磊：智能材料与结构91.智能器件1.1 传感元件1.2 驱动元件1.3 控制元件张光磊：智能材料与结构10触摸屏是怎么感知的？触摸屏是怎么感知的？1.1传感元件传感元件张光磊：智能材料与结构11使用者翻动手机选择使用者翻动手机选择“响铃响铃”或或“震铃震铃”；摇晃手机变换不同的铃声和摇晃手机变换不同的铃声和游戏；游戏；音乐和壁纸随着人们的动作音乐

4、和壁纸随着人们的动作而变化。而变化。摇晃你的手机摇晃你的手机 传感器传感器张光磊：智能材料与结构12身边的传感器身边的传感器CCD热敏电阻热敏电阻传声器传声器温控器温控器张光磊：智能材料与结构13力传感器力传感器温度开关温度开关张光磊：智能材料与结构14实验室的实验室的传感器传感器张光磊：智能材料与结构151.1传感元件传感元件对传感元件的要求是：对传感元件的要求是：n(1)尺寸要小，而且薄，不影响结构的外形；尺寸要小，而且薄，不影响结构的外形；n(2)应和原结构材料能很好耦台，对原结构材料强度的应和原结构材料能很好耦台，对原结构材料强度的影响较小；影响较小；n(3)性能稳定可靠；性能稳定可靠

5、；n(4)传感的覆盖面要宽传感的覆盖面要宽n(5)频率响应要宽；频率响应要宽；n(6)能和结构上其他电气设备兼容；能和结构上其他电气设备兼容；n(7)受外界干扰要小，受外界干扰要小，n(8)能在结构的使用温度及湿度范围内正常工作。能在结构的使用温度及湿度范围内正常工作。张光磊：智能材料与结构161.1传感元件传感元件表表3-1 常用传感材料的部分性能指标及特点常用传感材料的部分性能指标及特点类型项目压电陶瓷压电薄膜光纤电阻应变元件半导体元件灵敏度/(mV/10-6)20100.031频带/Hz0.11040.11040.110401040104标距/m1.0161.0161.0162.0320

6、.762辅助设备通用通用通用通用通用测量参数应变，压力加速度，超声波应变，压力加速度，超声波应变，温度速度，振动应变，压力应变，压力，加速度，温度，光电信号主要特点灵敏度高，频响特性好，线性度好，性能稳定柔韧性好，耐腐蚀，密度低，厚度可以做到十几微米，可制成任意形状和尺寸抗电磁干扰能力强，对基体强度影响小，频带宽，灵敏度高，能进行数据传输，能够用于分布测量，可在高低温及有害坏境下工作性能稳定，技术成熟，价格低，埋入基体材料对结构强度影响小能够制成与基体材料融为一体薄片，尺寸小，易模块化存在问题脆性大，抗冲击能力差，易受电磁干扰使用温度范围很小，与基体结构之间的结合强度不高稳定性和重复性需提高，

7、设备成本高、费用大输出信号小，易受干扰，使用温度范围较小使用温度范围小张光磊：智能材料与结构17主要内容：主要内容：1.1.1光纤传感器光纤传感器1.1.2电阻应变丝电阻应变丝1.1.3压电传感器压电传感器1.1.4疲劳寿命计疲劳寿命计1.1.5碳纤维水泥石压敏传感器碳纤维水泥石压敏传感器1.1.6半导体传感元件半导体传感元件张光磊：智能材料与结构181.1.1光纤传感器光纤传感器光纤是最先应用于智能结构的传感元件光纤是最先应用于智能结构的传感元件 。光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制成的光导元件。成的光导元件。 优点：优点：n对电磁干扰不敏感

8、；对电磁干扰不敏感；n可沿着单线多路复用；可沿着单线多路复用；n光纤很细，对基体材料强度影响很小，无闪光放电现象；光纤很细，对基体材料强度影响很小，无闪光放电现象；n频率响应高；频率响应高；n能进行数据传输；能进行数据传输；n光纤熔点高，而且不腐蚀，可以在高低温及有害环境下光纤熔点高，而且不腐蚀，可以在高低温及有害环境下工作等。工作等。张光磊：智能材料与结构191.1.1光纤传感器光纤传感器1、光纤传感器的结构原理、光纤传感器的结构原理光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测得光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测得光信号的装置光信号的装置 ，由光发送器、敏感元件（光纤或，由光发送器、敏感元

9、件（光纤或非光纤的）、光接受器、信号处理系统以及光纤非光纤的）、光接受器、信号处理系统以及光纤构成，见图构成，见图3-1。光源光电器件信号处理敏感元件光纤张光磊：智能材料与结构201.1.1光纤传感器光纤传感器由光发送器发出的光经光纤引导至敏感元件，在由光发送器发出的光经光纤引导至敏感元件，在这里，光的某一性质受到被测量的调制，已调光这里，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接受光纤耦合到光接受器，使光信号变为电信经接受光纤耦合到光接受器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统处理得到我们所期待的号，最后经信号处理系统处理得到我们所期待的被测量。被测量。 张光磊：智能材料与结构211.1.1

10、光纤传感器光纤传感器2、光纤传感器的分类及其应用、光纤传感器的分类及其应用 根据光纤在传感器的作用，可以分为：根据光纤在传感器的作用，可以分为：n功能型光纤传感器，又称功能型光纤传感器，又称FF光纤传感器；光纤传感器；n内部光纤传感器或全光纤型传感器；内部光纤传感器或全光纤型传感器；n非功能型光纤传感器，又称非功能型光纤传感器，又称NF光纤传感器；光纤传感器；n外部光纤传感器或传光型光纤传感器。外部光纤传感器或传光型光纤传感器。张光磊：智能材料与结构221.1.1光纤传感器光纤传感器根据光受被测对象调制形式，可以分为根据光受被测对象调制形式，可以分为n强度调制型光纤传感器；强度调制型光纤传感器

11、；n偏振调制光纤传感器；偏振调制光纤传感器；n相位调制光纤传感器；相位调制光纤传感器；n频率调制光纤传感器；频率调制光纤传感器；n颜色调制光纤传感器。颜色调制光纤传感器。张光磊：智能材料与结构231.1.1光纤传感器光纤传感器表3-2 光纤传感器分类被测物理量测量类型光的调制物理效应材料主要性能电流磁场FF偏振法拉第效应石英系玻璃电流501200A(精度0.24%)铅系玻璃磁场强度0.81800A/m(精度2%)相位磁致伸缩效应镍68碳莫合金最小检测磁场强度8105A/m(110kHz)NF偏振法拉第效应YIG系强磁体FR5铅系玻璃磁场强度0.08160A/m(精度0.5%)电压电场FF偏振P

12、ockols效应亚硝基苯胺相位电致伸缩效应陶瓷振子压电元件NF偏振Pockols效应LiNbO3LiTaO3电压11000V电场强度0.11000kV/cm(精度1%)2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类张光磊：智能材料与结构241.1.1光纤传感器光纤传感器2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类温度FF相位干涉现象石英系玻璃温度变化量17条/（m）光强红外线透过SiO2CaF2ZrF2温度2501200（精度1%）偏振双折射变化石英系玻璃温度301200开门数折射率变化石英系玻璃光强断路双金属片弯曲双金属片温度1030（精度0.5）磁性变化铁氧体开（57）关（53）磁性变化铁氧体开（57）

13、关（53）水银的上升水银40时精度0.5透射率禁带宽度变化GaAs、CdTe半导体温度080石蜡开（63）关（52）荧光辐射（Gd0.39Eu0.61）2O2S50300(精度0.1)速度FF相位Sagdac效应石英系玻璃角速度3103rad/s以上频率多普勒效应石英系玻璃流速10-4104m/sNF断路风标的旋转旋转圆盘风速60m/s张光磊：智能材料与结构251.1.1光纤传感器光纤传感器2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类振动压力音响FF频率多普勒效应石英系玻璃最小振幅0.4m/(120Hz)相位干涉现象石英系玻璃压力154kPam/条光强微小弯曲损失薄膜+膜条压力0.9102kPa以上

14、NF光强散射损失C15H28O2+VL2235N压力010kPa断路双波长透射率变化振子振幅0.05500m（精度1%）光强反射角变化薄膜血压测量误差2.6103Pa射线FF光强生成着色中心石英系玻璃铅系玻璃辐射量0.011Mrad图像FF光强光纤束成像石英系玻璃长数米多波长传输石英系玻璃长数米非线性光学非线性光学元件长数米光的聚焦多成分玻璃长数米张光磊：智能材料与结构261.1.2电阻应变丝电阻应变丝1、概述、概述电阻应变丝（电阻应变丝（Strain Wires and Gauges）埋入）埋入复合材料结构中后，随着结构的变形，电阻应变复合材料结构中后，随着结构的变形，电阻应变丝产生伸长和缩

15、短，它的电阻值的相对变化率为：丝产生伸长和缩短，它的电阻值的相对变化率为：式中：式中： 沿着电阻应变丝轴向的构件上的应变沿着电阻应变丝轴向的构件上的应变 电阻应变丝灵敏系数电阻应变丝灵敏系数 电阻应变丝的灵敏系数主要决定于丝的材料，通电阻应变丝的灵敏系数主要决定于丝的材料，通用康铜丝的灵敏系数为用康铜丝的灵敏系数为2，镍铬丝的灵敏系数为，镍铬丝的灵敏系数为2.3 sKRRSK张光磊：智能材料与结构271.1.2电阻应变丝电阻应变丝2. 电阻应变丝的优缺点及性能要求电阻应变丝的优缺点及性能要求电阻应变丝测量应变的主要优点是：电阻应变丝测量应变的主要优点是：n(1) 电阻应变丝的性能稳定，而且很容

16、易研制电阻应变丝的性能稳定，而且很容易研制成与结构材料相配合的丝材，这种丝材仅受应成与结构材料相配合的丝材，这种丝材仅受应变影响，不受温度的影响；变影响，不受温度的影响；n(2) 电阻应变丝埋入材料对原材料强度影响很电阻应变丝埋入材料对原材料强度影响很小；小；n(3) 相配合的仪表很成熟，很容易与计算机及相配合的仪表很成熟，很容易与计算机及其他设备兼容。其他设备兼容。张光磊：智能材料与结构281.1.2电阻应变丝电阻应变丝2. 电阻应变丝的优缺点及性能要求电阻应变丝的优缺点及性能要求存在问题：存在问题：n(1)电阻应变丝的输出信号小，易受干扰，因此电阻应变丝的输出信号小，易受干扰，因此必须采取

17、防干扰措施；必须采取防干扰措施；n(2)为了提高检测灵敏度，需要研究最佳的布置为了提高检测灵敏度，需要研究最佳的布置方案。方案。张光磊：智能材料与结构291.1.2电阻应变丝电阻应变丝2. 电阻应变丝的优缺点及性能要求电阻应变丝的优缺点及性能要求埋入结构中的电阻应变丝的性能必须稳定，并且埋入结构中的电阻应变丝的性能必须稳定，并且不受外界环境变化的影响，主要性能要求如下：不受外界环境变化的影响，主要性能要求如下：n热输出要小，并接近于零；热输出要小，并接近于零；n零点漂移要小；零点漂移要小；n蠕变要小；蠕变要小；n机械滞后要小；机械滞后要小；n疲劳寿命要高。疲劳寿命要高。 张光磊：智能材料与结构

18、301.1.3压电传感器压电传感器压电材料通过电偶极子在电场中的自然排压电材料通过电偶极子在电场中的自然排列而改变材料的尺寸，响应外加电压而产列而改变材料的尺寸，响应外加电压而产生应力或应变，电和力学性能之间呈线性生应力或应变，电和力学性能之间呈线性关系，具有关系，具有响应速度快响应速度快、频率高频率高和和应变小应变小等特点。等特点。此种材料受到压应力刺激可以产生电信号，此种材料受到压应力刺激可以产生电信号，可用作传感器。可用作传感器。张光磊：智能材料与结构311.1.3压电传感器压电传感器利用压电元件作为传感器，可以测量材料利用压电元件作为传感器，可以测量材料破坏时的声发射信号。破坏时的声发

19、射信号。 还可利用压电元件作为振源，用压电传感还可利用压电元件作为振源，用压电传感器测量原始缺陷的损伤的类型。器测量原始缺陷的损伤的类型。 张光磊：智能材料与结构321.1.3压电传感器压电传感器1. 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路(a)(b)图3-2压电元件的串联(a)与并联(b)如图如图3-6a所示，两片压电片负极都集中于中间电极上，所示，两片压电片负极都集中于中间电极上，正极在上下两面电极上。这种接法称为并联，其输出电正极在上下两面电极上。这种接法称为并联，其输出电容容 为单片电容的两倍为单片电容的两倍(若为若为n片并联，则片并联，则 ，但输，但输出电压出电压 极板上电荷量

20、极板上电荷量 为单片电荷量的两倍为单片电荷量的两倍(若为若为n片并联，则片并联，则 )。 aCanCCaaaUUqnqq 张光磊：智能材料与结构331.1.3压电传感器压电传感器1. 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路图图3-6b中的接法是上极板为正电荷，下极中的接法是上极板为正电荷，下极板为负电荷，而中间极板上，上片产生的板为负电荷，而中间极板上，上片产生的负电荷与下片产生的正电荷抵消。这种接负电荷与下片产生的正电荷抵消。这种接法称为串联。法称为串联。张光磊：智能材料与结构341.1.3压电传感器压电传感器1. 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路并联接法输出电荷量大，本身

21、电容也大，并联接法输出电荷量大，本身电容也大，因此时间常数大，宜用于测量缓变信号，因此时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。并且适用于以电荷作为输出量的场合。串联接法输出电压高，自身电容小，适用串联接法输出电压高，自身电容小，适用于以电压作为输出量，以及测量电路输入于以电压作为输出量，以及测量电路输入阻抗很高的场合。阻抗很高的场合。张光磊：智能材料与结构351.1.3压电传感器2. 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路压电传感器可等效为如图压电传感器可等效为如图3-3a所示的电压源，压电传感器所示的电压源，压电传感器也可等效为一个电荷源，如图也可等效为一个电荷源

22、，如图3-3b所示。所示。 图3-3 压电传感器电压源与电荷源等效电路张光磊：智能材料与结构361.1.3压电传感器压电传感器3. 压电式传感器结构压电式传感器结构压电测力传感器的结构通常为荷重垫圈式。压电测力传感器的结构通常为荷重垫圈式。 图3-5 YDS-781型压电式单向力传感器结构1一传力上盖 2一压电片 3一片式电极4一电极引出插头 5一绝缘材料 6一底座张光磊：智能材料与结构371.1.4疲劳寿命计疲劳寿命计美国在美国在20世纪世纪60年代至年代至70年代研制了疲劳年代研制了疲劳寿命片，后致力于应用研究。寿命片，后致力于应用研究。我国也于我国也于1984年开始由南京航空航天大学、年

23、开始由南京航空航天大学、上海丰色金属研究所、航空航天部上海丰色金属研究所、航空航天部629所、所、702所联合研制成功了疲劳寿命计。疲劳寿所联合研制成功了疲劳寿命计。疲劳寿命计的敏感材料为疲劳寿命丝（箔）。命计的敏感材料为疲劳寿命丝（箔）。张光磊：智能材料与结构381.1.4疲劳寿命计疲劳寿命计为了比较同一构件的不同设计的优劣及在为了比较同一构件的不同设计的优劣及在相同载荷下寿命的长短，可以在它们的相相同载荷下寿命的长短，可以在它们的相同位置上贴上疲劳寿命丝，然后进行试验，同位置上贴上疲劳寿命丝，然后进行试验，比较在相同时间内的电阻变化的大小。比较在相同时间内的电阻变化的大小。疲劳寿命丝电阻变

24、化大者，说明该设计构疲劳寿命丝电阻变化大者，说明该设计构件的疲劳寿命较短或设计较差。件的疲劳寿命较短或设计较差。 张光磊：智能材料与结构391.1.5碳纤维水泥石压敏传感器碳纤维水泥石压敏传感器由于碳纤维具有高的强度和弹性模量，接触电阻由于碳纤维具有高的强度和弹性模量，接触电阻会随着压力的变化而连续变化，利用这个特性可会随着压力的变化而连续变化，利用这个特性可以制成智能结构中的压力传感元件和应变传感元以制成智能结构中的压力传感元件和应变传感元件。件。欧进萍教授提出了碳纤维水泥基材料的一种新型欧进萍教授提出了碳纤维水泥基材料的一种新型应用形式，即应用碳纤维水泥石制作嵌入式压敏应用形式，即应用碳纤

25、维水泥石制作嵌入式压敏传感器，称为碳纤维水泥石压敏传感器传感器，称为碳纤维水泥石压敏传感器（CFCPS）。）。张光磊：智能材料与结构401.1.5碳纤维水泥石压敏传感器碳纤维水泥石压敏传感器n优点：优点：n（1）本征式的应用形式相比，该应用形式具）本征式的应用形式相比，该应用形式具有较低的造价和便宜的施工工艺。有较低的造价和便宜的施工工艺。n（2）与混凝土结构局部监测的其它传感器）与混凝土结构局部监测的其它传感器(如如电阻应变片、光纤等电阻应变片、光纤等)相比，该传感器具有耐久相比，该传感器具有耐久性好、造价低、布设工艺简单、与混凝土相容性好、造价低、布设工艺简单、与混凝土相容性好。性好。 张

26、光磊：智能材料与结构411.1.6半导体传感元件半导体传感元件半导体传感材料（半导体传感材料（Semi-conductors）是未来智）是未来智能结构中的主要材料，能制成与基体材料融合的能结构中的主要材料，能制成与基体材料融合的半导体模块、薄片，而且尺寸要越来越薄和越来半导体模块、薄片，而且尺寸要越来越薄和越来越小。越小。 目前存在的主要问题是温度的控制目前存在的主要问题是温度的控制 。n目前使用目前使用GaAs材料的工作温度为材料的工作温度为130 。n实际使用时有环境温度的影响，如飞行中飞机表面温度实际使用时有环境温度的影响，如飞行中飞机表面温度就很高，另外本身发热，因此必须想方设法控制温

27、度就很高，另外本身发热，因此必须想方设法控制温度 。张光磊：智能材料与结构421.1.6半导体传感元件半导体传感元件目前半导体传感器正在发展，主要集中在：目前半导体传感器正在发展，主要集中在：n(1)制成飞机上使用的半导体薄片天线，这种薄片天线制成飞机上使用的半导体薄片天线，这种薄片天线由半导体材料制成，是宽频带，能适用于电子战、通讯、由半导体材料制成，是宽频带，能适用于电子战、通讯、雷达等多重交叉频带的天线。雷达等多重交叉频带的天线。n(2)气压硅传感器的体积小，易于大批生产，结构如图气压硅传感器的体积小，易于大批生产，结构如图3-6所示。它安装在一个方形凹槽中。当压力作用时，所示。它安装在

28、一个方形凹槽中。当压力作用时，即可得知飞机或其他表面上的气压分布。即可得知飞机或其他表面上的气压分布。图3-6 半导体气压硅传感器张光磊：智能材料与结构43各种应变片各种应变片力传感器上的应变片力传感器上的应变片应用应用张光磊：智能材料与结构44应变片的应用应变片的应用荷重传感器荷重传感器测量汽车载重测量汽车载重张光磊：智能材料与结构45崇明跃进桥检测崇明跃进桥检测布置应变布置应变片片张光磊：智能材料与结构46桥梁加载，检测桥梁的应变桥梁加载，检测桥梁的应变张光磊：智能材料与结构47对斜拉桥钢索进行应变测试对斜拉桥钢索进行应变测试张光磊：智能材料与结构48压压 强强 传传 感感 器器压强传感器

29、采用压阻压强传感器采用压阻式压力传感元件。式压力传感元件。它是利用单晶硅的压它是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。阻效应制成的器件。当它受到气体压力时，当它受到气体压力时，半导体应变片的电阻率半导体应变片的电阻率发生变化，从而输出电发生变化，从而输出电压变化。压变化。 压力传感元件压力传感元件张光磊：智能材料与结构49血压计血压计压强压强传感器传感器气阀气阀气泵气泵放气管放气管三通管三通管接传感器接传感器气泵气泵 袖袖 带带 气阀气阀 压强压强传感器传感器 张光磊：智能材料与结构50轮胎压力传感器轮胎压力传感器在轮胎内埋设压强传感器（含微控制器），随轮在轮胎内埋设压强传感器（含微控制器），随轮胎

30、一起转动，自动测量轮胎的气压、温度、转速，胎一起转动，自动测量轮胎的气压、温度、转速，并将信息通过无线发送器传递给驾驶员。并将信息通过无线发送器传递给驾驶员。 轮胎压力监视系统轮胎压力监视系统 张光磊：智能材料与结构51磁铁磁铁 手柄外环手柄外环 手柄手柄手柄手柄旋转手柄，调节磁铁和霍尔元件旋转手柄，调节磁铁和霍尔元件之间的距离，电路输出相应的电压，之间的距离，电路输出相应的电压，从而控制车速。从而控制车速。磁传感器磁传感器 电动车的车速控制电动车的车速控制霍尔元件霍尔元件 张光磊：智能材料与结构52电动车的无刷电动机电动车的无刷电动机无刷电动机没有电刷，定子产生旋转磁场带动转子旋转。无刷电动

31、机没有电刷，定子产生旋转磁场带动转子旋转。电机中采用霍尔元件检测转子和定子之间的相对位置，从而电机中采用霍尔元件检测转子和定子之间的相对位置，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。张光磊：智能材料与结构53无无 刷刷 电电 机机定子定子转子转子霍尔元件霍尔元件定子定子张光磊：智能材料与结构54位移传感器位移传感器超声波接收超声波接收超声波发射超声波发射红外线发射红外线发射红外线接收红外线接收张光磊：智能材料与结构55压电薄膜扬声器压电薄膜扬声器（逆压电效应）（逆压电效应）可折叠、可卷曲、可印刷的薄膜扬声器可折叠、可卷曲、可印刷的薄膜扬声器 张光

32、磊：智能材料与结构56超声波电动机超声波电动机照相机镜头照相机镜头 环形超声波电机环形超声波电机 微形超声波电机微形超声波电机 张光磊：智能材料与结构57温度传感器温度传感器家用电器中应用最多的是温度传感器，常用的有以下几种：家用电器中应用最多的是温度传感器，常用的有以下几种： 电热油汀电热油汀 电烤箱电烤箱 电热锅电热锅 电火锅电火锅 电熨斗电熨斗 双金属片可调温控器双金属片可调温控器 张光磊：智能材料与结构58手动复位式温控器（温度开关）手动复位式温控器（温度开关）温度降低后，温度降低后，需要手动才能接需要手动才能接通电路。通电路。电热水壶电热水壶 双金属片达到一定温度时，双金属片达到一定

33、温度时，由于形变而产生瞬间跳动，通由于形变而产生瞬间跳动，通过传动机构，迅速断开电路。过传动机构，迅速断开电路。张光磊：智能材料与结构59饮水机饮水机双金属片双金属片 自动复位式温控器（恒温开关）自动复位式温控器（恒温开关）温控器内部的双金属片达到设温控器内部的双金属片达到设定温度时，自动断开电路；当温定温度时，自动断开电路；当温度低于设定温度时，自动接通电度低于设定温度时，自动接通电路，从而保持温度的恒定。路，从而保持温度的恒定。电热水瓶电热水瓶 张光磊：智能材料与结构60机械式调温器机械式调温器 冷藏箱冷藏箱 电冰箱电冰箱 冷冻箱冷冻箱 保鲜柜保鲜柜 液体感温剂（氯甲烷）液体感温剂（氯甲烷

34、） 张光磊：智能材料与结构61电子温控器电子温控器 数字家电利用微控制器进行智能数字家电利用微控制器进行智能化控制。与之配套的各种传感器，包化控制。与之配套的各种传感器，包括热敏电阻、热敏晶体管等也在家用括热敏电阻、热敏晶体管等也在家用电器中扮演着重要角色。电器中扮演着重要角色。张光磊：智能材料与结构62电冰箱的电冰箱的控制器控制器 电压力锅电压力锅 电脑型微波炉电脑型微波炉 电脑型电饭锅电脑型电饭锅 热敏电阻用于测量热敏电阻用于测量张光磊：智能材料与结构63发热电器的恒温控制：发热电器的恒温控制：刚通电时，刚通电时，PTC元件的电阻小，电流大，快速升温。元件的电阻小，电流大，快速升温。温度超

35、过居里点后，电阻陡然增大，类似于关闭电源；温度超过居里点后，电阻陡然增大，类似于关闭电源；当温度下降后，当温度下降后，PTC电阻下降电阻下降 自动恒温。自动恒温。PTC热敏电阻既是加热器又是传感器，起到感温和控温热敏电阻既是加热器又是传感器，起到感温和控温的两种作用。的两种作用。 陶瓷暖风机陶瓷暖风机 居里温度居里温度开关电阻开关电阻 工作范围工作范围PTC热敏电阻热敏电阻电蚊香电蚊香 张光磊：智能材料与结构64温度传感器温度传感器温度传感器中的热电阻由铂金属制成。温度传感器中的热电阻由铂金属制成。传感器的金属管内充满导热硅脂，便于外传感器的金属管内充满导热硅脂，便于外界温度通过金属管传递到铂

36、电阻。界温度通过金属管传递到铂电阻。铂电阻铂电阻张光磊：智能材料与结构65电压传感器电压传感器电压电压转换转换器器12V输入信号输入信号02.5V输出信号输出信号张光磊：智能材料与结构66电流传感器电流传感器电压电压放大器放大器02.5V输出信号输出信号1A输入信号输入信号IR内阻0.1 张光磊：智能材料与结构67微电流传感器微电流传感器电压高倍电压高倍放大器放大器与与转换器转换器02.5V输出信号输出信号1A输入信号输入信号IR灵敏电流计灵敏电流计张光磊：智能材料与结构68用微电流传感器探测地球磁场用微电流传感器探测地球磁场 张光磊：智能材料与结构69计算机计算机 空调空调 电吹风电吹风 电

37、视机电视机 微波炉微波炉 电风扇电风扇 探探究究生生活活中中的的电电磁磁波波张光磊：智能材料与结构70手机发射与接收手机发射与接收CDMA手机手机GSM手机手机静音接收静音接收 0.62A 张光磊：智能材料与结构71制冷酒柜制冷酒柜 化妆品冰箱化妆品冰箱 汽车冰箱汽车冰箱 小巧的冰箱小巧的冰箱不用压缩机不用压缩机张光磊：智能材料与结构72传感器内有一个传感器内有一个用弹簧片支撑的质量用弹簧片支撑的质量块，可以上下活动。块，可以上下活动。固定电极固定电极1与质量与质量块之间构成电容块之间构成电容C1质量块与固定电质量块与固定电极极2之间构成电容之间构成电容C2C1C2固定电极固定电极1质量块质量

38、块固定电极固定电极2加速度传感器加速度传感器张光磊：智能材料与结构73硬盘防震硬盘防震 加速度传感器应用加速度传感器应用安全气囊安全气囊颈椎运动测量颈椎运动测量 张光磊：智能材料与结构74照相机防抖动系统照相机防抖动系统1、感光元件防抖感光元件防抖机身的机身的CCD框架产生框架产生相对移动，对成像落点相对移动，对成像落点进行矫正进行矫正（索尼）（索尼） 。2、光学防抖光学防抖 镜头中的对焦镜产生镜头中的对焦镜产生相对移动，对光路进行相对移动，对光路进行矫正矫正（佳能）（佳能） 。CCD框架移动框架移动加速度传感器加速度传感器张光磊：智能材料与结构75高速列车的车厢在转弯时会发生倾斜，而高速列车

39、的车厢在转弯时会发生倾斜，而频繁的左右摆动，容易使人感觉晕眩。频繁的左右摆动，容易使人感觉晕眩。利用利用加速度传感器加速度传感器，计算机根据列车转弯，计算机根据列车转弯的半径和速度，自动调节每节车厢的倾斜角的半径和速度，自动调节每节车厢的倾斜角度，从而达到高速、安全、舒适的目的。度，从而达到高速、安全、舒适的目的。自动调节车厢摆动的摆式列车自动调节车厢摆动的摆式列车列车转向架列车转向架 张光磊：智能材料与结构761.2驱动元件驱动元件驱动元件驱动元件张光磊：智能材料与结构771.2驱动元件驱动元件智能材料与结构对驱动元件的要求是：智能材料与结构对驱动元件的要求是：n(1) 驱动元件应能和结构基

40、体材料很好结合，具有高的驱动元件应能和结构基体材料很好结合，具有高的结合强度；结合强度； n(2) 驱动元件本身的静强度和疲劳强度要高；驱动元件本身的静强度和疲劳强度要高； n(3) 激励驱动元件动作的方法要简单相安全，对结构基激励驱动元件动作的方法要简单相安全，对结构基体材料无影响，激励的能量要小；体材料无影响，激励的能量要小； n(4) 激励后的变形量要大，并能伴随着产生激励力控制；激励后的变形量要大，并能伴随着产生激励力控制； n(5) 驱动元件在反复激励下，保持性能稳定；驱动元件在反复激励下，保持性能稳定；n(6) 驱动元件的频率响应要宽响应速度要快、并能控驱动元件的频率响应要宽响应速

41、度要快、并能控制。制。张光磊：智能材料与结构781.2驱动元件表3-4 常用驱动材料的部分性能指标材料性能压电陶瓷PZTG-1195压电薄膜PVDF压电复合材料1-3型Vc=60%形状记忆合金Niticol电致伸缩材料PMN磁致伸缩材料PMN电流变体最大驱动应变/10-61000700横向900剪切37002000010002000屈服应力3.5kPa,2.0kV/mm弹性模量/GPa6.30.212.12.8（马氏体状态）9.8（奥氏体状态）11.94.9重复性偏差10%，5000h张光磊：智能材料与结构791.2驱动元件合成应变/10-6350108500（奥氏体状态）500580电流密度

42、2A/cm2频率响应/Hz12000012000012000005120000120000120000最高使用温度/200常温150300300400200驱动方式电压电压电压电流，温度强电场强电场强电场驱动机理逆电压效应逆电压效应逆电压效应形状记忆效应材料中的电偶极子在外加电场作用下发生旋转，电偶极子沿电场方向平行排列，使晶体结构变形在外加磁场中，材料内部的小磁畴发生偏转并沿磁场方向重新取向，使材料产生变形在电场作用下，胶质悬浮体迅速排列成相对有规律的链条柱状形结构并具固体性质张光磊：智能材料与结构80主要内容：主要内容：1.2.1压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器1.2.2压电陶瓷微位移装置压电

43、陶瓷微位移装置1.2.3形状记忆合金驱动器形状记忆合金驱动器1.2.4电致伸缩传动器电致伸缩传动器1.2.5磁致伸缩材料微位移驱动器磁致伸缩材料微位移驱动器1.2.6汽车电流变液变速箱汽车电流变液变速箱1.2.7磁流变阻尼器磁流变阻尼器1.2.8聚合胶体驱动器聚合胶体驱动器张光磊：智能材料与结构811.2.1压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器三通道压电陶瓷驱动器三通道压电陶瓷驱动器 张光磊：智能材料与结构821.2.1压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器由于压电陶瓷具有把电能转变为机械能的能力，由于压电陶瓷具有把电能转变为机械能的能力，因此当应用系统通电给压电陶瓷时，使材料的自因此当应用系统通电给压电陶瓷时

44、，使材料的自发偶极矩发生变化。发偶极矩发生变化。使材料的尺寸发生改变，这种效应能产地使材料的尺寸发生改变，这种效应能产地200-300um的微应变。的微应变。张光磊：智能材料与结构831.2.1压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器响应速度之快是其他材料所无法比拟的，是高精响应速度之快是其他材料所无法比拟的，是高精度、高速驱动器所必须的，并已应用于各种跟踪度、高速驱动器所必须的，并已应用于各种跟踪系统、门感应光学系统、机器人微定位器、磁头、系统、门感应光学系统、机器人微定位器、磁头、喷墨打印机和扬声器等方面。喷墨打印机和扬声器等方面。 张光磊：智能材料与结构841.2.1压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器图3

45、-7 叠加式压电陶瓷驱动器 压电陶瓷驱动器经常采用如图压电陶瓷驱动器经常采用如图3-7 所示的导电聚合物粘结的多所示的导电聚合物粘结的多层压电陶瓷片叠加方式。层压电陶瓷片叠加方式。 采用叠加方式不但使压电陶瓷片可以做得很薄，从而降低驱动采用叠加方式不但使压电陶瓷片可以做得很薄，从而降低驱动器所需的电压，而且还使驱动器位移增加。器所需的电压，而且还使驱动器位移增加。 张光磊：智能材料与结构851.2.1压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器FOu3u2u1图3-8 压电陶瓷驱动器的应变与驱动力的关系在电压恒定的情况下，驱动力为零时变形最大；反之，变形为零时，驱在电压恒定的情况下，驱动力为零时变形最大；反之

46、，变形为零时，驱动力最大。动力最大。压电陶瓷驱动器在零压电陶瓷驱动器在零(或固定或固定)应力下，因电场强度而产生的极限应变为应力下，因电场强度而产生的极限应变为0.1左右，达到极限后，增加电场强度基本不会引起变形的增加。左右，达到极限后，增加电场强度基本不会引起变形的增加。张光磊：智能材料与结构861.2.2压电陶瓷微位移装置压电陶瓷微位移装置微位移的测量一般可测微位移的测量一般可测10-3m级的位移。级的位移。其原理是：其原理是：压电元件由压电元件由n片取向轴向极片的压电陶片取向轴向极片的压电陶瓷并联瓷并联(相邻片极化方向相反相邻片极化方向相反)叠加而成。叠加而成。 (a) 叠片式 (b)

47、圆管式图3-9 压电陶瓷微位移装置结构图1-电极；2-压电陶瓷；3-芯体；4-工作件21212334张光磊：智能材料与结构871.2.3形状记忆合金驱动器形状记忆合金驱动器常用的形状记忆合金有常用的形状记忆合金有Ni-Ti合金和合金和Cu-Zn-Al合金。合金。张光磊：智能材料与结构881.2.3形状记忆合金驱动器驱动器由驱动元件和执行机构两部分组成。驱动器由驱动元件和执行机构两部分组成。驱动元件即驱动元件即SMA材料，多为丝材、片材和管材。材料，多为丝材、片材和管材。 图3-10 旋转位移型SMA电机（a）偏置式 （b）推挽式拉伸弹簧SMASMASMA张光磊：智能材料与结构891.2.3形状

48、记忆合金驱动器驱动器的运行原理是：驱动器的运行原理是：n（1）对偏置式而言，加热）对偏置式而言，加热SMA弹簧，相变发生，形状弹簧，相变发生，形状回复力克服弹簧拉力，产生动作。冷却时，回复力克服弹簧拉力，产生动作。冷却时，SMA发生发生逆相变，此时，逆相变，此时，SMA弹簧很软，在拉伸弹簧的作用下，弹簧很软，在拉伸弹簧的作用下，驱动器恢复到原来的位置。如此反复，可使驱动器输出驱动器恢复到原来的位置。如此反复，可使驱动器输出位移。位移。n（2）对推挽式而言，加热一侧）对推挽式而言，加热一侧SMA的同时，冷却另一的同时，冷却另一侧的侧的SMA，驱动器具有双向做功的能力，驱动器具有双向做功的能力。一

49、般来说，推挽式比偏置式的输出功率大，能量一般来说，推挽式比偏置式的输出功率大，能量转换效率高。转换效率高。张光磊：智能材料与结构901.2.3形状记忆合金驱动器应用应用nSMA驱动器非常适合于小负载、高速、高精度驱动器非常适合于小负载、高速、高精度的机器人装配作业中使用，在电子显微镜内样的机器人装配作业中使用，在电子显微镜内样品移动装置、化学设备的反应装置及原子反应品移动装置、化学设备的反应装置及原子反应堆中的驱动装置上的应用太有前途。堆中的驱动装置上的应用太有前途。张光磊：智能材料与结构911.2.3形状记忆合金驱动器应用应用nSMA驱动器非常适合于小负载、高速、高精度的机器人装配作业驱动器

50、非常适合于小负载、高速、高精度的机器人装配作业中使用，在电子显微镜内样品移动装置、化学设备的反应装置及中使用，在电子显微镜内样品移动装置、化学设备的反应装置及原子反应堆中的驱动装置上的应用太有前途。原子反应堆中的驱动装置上的应用太有前途。n世界上许多工业发达的国家世界上许多工业发达的国家(特别是日本特别是日本)，都在加紧这方面的研，都在加紧这方面的研究，并取得了一定的成果。迄今为止，形状记忆台金在空间技术、究，并取得了一定的成果。迄今为止，形状记忆台金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛

51、的应用。活各方面都得到了广泛的应用。张光磊：智能材料与结构921.2.3形状记忆合金驱动器应用应用n世界上许多工业发达的国家世界上许多工业发达的国家(特别是日本特别是日本)，都，都在加紧这方面的研究，并取得了一定的成果。在加紧这方面的研究，并取得了一定的成果。迄今为止，形状记忆台金在空间技术、医疗器迄今为止，形状记忆台金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用。业及日常生活各方面都得到了广泛的应用。张光磊：智能材料与结构931.2.3形状记忆合金驱动器 在医学上的应用n合金作为驱动元件，具有可动的肩、

52、肘、腕及手指合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、腕及手指的微型机械手。的微型机械手。n手指和手腕靠手指和手腕靠TiNiTiNi合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状的弯曲动作，肘和肩是靠直线状的TiNiTiNi合金丝的伸缩合金丝的伸缩做弯曲动作，各个形状记忆合金驱动元件都由直接做弯曲动作，各个形状记忆合金驱动元件都由直接通上的脉宽可调电流加以控制。通上的脉宽可调电流加以控制。 张光磊：智能材料与结构941.2.3形状记忆合金驱动器形状记忆合金能动型内窥镜形状记忆合金能动型内窥镜 张光磊：智能材料与结构951.2.3形状记忆合金驱动器肠道内窥镜式机器人

53、肠道内窥镜式机器人 张光磊：智能材料与结构961.2.4电致伸缩传动器n电致伸缩传动器是利用陶瓷材料的电致伸缩效应的新型电致伸缩传动器是利用陶瓷材料的电致伸缩效应的新型机电转换器件。机电转换器件。n它是应光学、精密加工和微型马达等领域对新的位移换它是应光学、精密加工和微型马达等领域对新的位移换能器迫切需要而发展起来的。能器迫切需要而发展起来的。n电致伸缩微位移器一般由电致伸缩微位移器一般由PLZ陶瓷材料，独立叠层工艺陶瓷材料，独立叠层工艺制作而成。它是一种高分辨率电压控制微小应变的器件。制作而成。它是一种高分辨率电压控制微小应变的器件。其位移量由叠层数和电场大小控制。其位移量由叠层数和电场大小

54、控制。 张光磊：智能材料与结构971.2.4电致伸缩传动器优点：优点：n工作电压低、工作电压低、n体积小、体积小、n结构紧凑、结构紧凑、n分辨率高、分辨率高、n响应快、响应快、n滞后小、滞后小、n控制简便、控制简便、n回零再现性好、回零再现性好、n无老化现象、无老化现象、n稳定性好稳定性好n没有发热问题没有发热问题 张光磊：智能材料与结构981.2.4电致伸缩传动器应用：应用：它是光学、机械加工、电子、航空、生物、医学、它是光学、机械加工、电子、航空、生物、医学、遗传工程和光纤通讯等领域中实现精度为遗传工程和光纤通讯等领域中实现精度为0.01m的超精定位、超精加工、误差补偿、相的超精定位、超精

55、加工、误差补偿、相位调制等功能的理想执行器件。位调制等功能的理想执行器件。该器件定位精度可达亚微米级，分辨率可达到几该器件定位精度可达亚微米级，分辨率可达到几十纳米，在精密机械中得到广泛应用。十纳米，在精密机械中得到广泛应用。张光磊：智能材料与结构991.2.4电致伸缩传动器电致伸缩微位移器传递函数的简化模型如图电致伸缩微位移器传递函数的简化模型如图3-11所示。所示。RucUfCY=kuc2图3-11 微位移器简化模型张光磊：智能材料与结构1001.2.5磁致伸缩材料微位移驱动器磁致伸缩材料微位移驱动器磁致伸缩是指材料在磁场作用下，其长度磁致伸缩是指材料在磁场作用下，其长度（或形状）发生伸长

56、或缩短的现象。具有（或形状）发生伸长或缩短的现象。具有较大磁致伸缩应变的材料称为磁致伸缩材较大磁致伸缩应变的材料称为磁致伸缩材料。料。n如如Ni、Ni-Co-Cr合金和合金和Fe-14%Al合金的饱和合金的饱和磁致伸缩应变量仅有磁致伸缩应变量仅有0.410-4110-4，由，由于其饱和磁致伸缩系数于其饱和磁致伸缩系数(s)值过小，没有得到值过小，没有得到广泛应用。广泛应用。 张光磊：智能材料与结构1011.2.5磁致伸缩材料微位移驱动器磁致伸缩材料微位移驱动器n国际上研制成一种多元稀土国际上研制成一种多元稀土-铁莱夫斯相化合物铁莱夫斯相化合物（R，R)Fe2，其饱和磁致伸缩应变量达到，其饱和磁

57、致伸缩应变量达到1.510-3210-3，相当于传统材料的，相当于传统材料的2050倍，所以称其为超磁致伸缩材料。倍，所以称其为超磁致伸缩材料。 张光磊：智能材料与结构1021.2.5磁致伸缩材料微位移驱动器磁致伸缩材料微位移驱动器微位移驱动器的具体结构见图微位移驱动器的具体结构见图3-12。 超磁致伸缩棒螺线管线圈连接钢球预紧螺栓导磁铌铁永磁铁框架弹簧钢片水冷管图3-12 驱动器结构示意图 永磁铁产生一个偏置磁场，从而使驱动器工作在伸缩率最大及良好的线性段； 通过弹性钢片，调整磁致伸缩棒上的预紧力，从而使磁滞最小； 通过改变驱动线圈中电流的大小，来改变棒中磁场的大小，进而控制位移。张光磊：智

58、能材料与结构1031.2.5磁致伸缩材料微位移驱动器磁致伸缩材料微位移驱动器图图3-13是超磁致伸缩材料的应用原理图。由驱动是超磁致伸缩材料的应用原理图。由驱动线圈提供磁场，线圈提供磁场，Terfenol-D棒材的长度会发生变棒材的长度会发生变化，从而将电能转换成声波或机械能输出。化，从而将电能转换成声波或机械能输出。驱动线圈Terfenol-D棒材图3-13 超磁致伸缩材料的应用原理图张光磊：智能材料与结构1041.2.5磁致伸缩材料微位移驱动器磁致伸缩材料微位移驱动器磁致伸缩材料优点：磁致伸缩材料优点：n应变量和机电耦合系数大，响应速度快，与压应变量和机电耦合系数大，响应速度快，与压电材料

59、相比，它既没有时效引起的极化衰减，电材料相比，它既没有时效引起的极化衰减，也不会因为瞬间过热而导致性能的丧失。也不会因为瞬间过热而导致性能的丧失。其缺点：其缺点：n易造成磁场干扰、有迟滞现象。易造成磁场干扰、有迟滞现象。主要应用于高精度快速微位移驱动器、主主要应用于高精度快速微位移驱动器、主动降噪减振系统等。动降噪减振系统等。张光磊：智能材料与结构1051.2.6汽车电流变液变速箱汽车电流变液变速箱电流变液的特点是响应快，剪切强度变化幅度大。电流变液的特点是响应快，剪切强度变化幅度大。它在结构减振降噪研究等方面取得了一些进展，它在结构减振降噪研究等方面取得了一些进展，需要改善的是降低转换电压，

60、提高长期稳定性和需要改善的是降低转换电压，提高长期稳定性和抗剪切强度等。抗剪切强度等。电流变液用于汽车变速的原理可以通过一个简化电流变液用于汽车变速的原理可以通过一个简化间化的例子说明，如图间化的例子说明，如图3-14所示。所示。 张光磊：智能材料与结构1061.2.6汽车电流变液变速箱汽车电流变液变速箱图3-14 汽车变速原理示意图4312设动力首先从下面的轴输入(箭头)，下部轴与齿轮之间是电流变浓。如果右边施加外电场，左边仍保持液态，则动力由齿轮1传到齿轮2，带动上部轴转动，由于齿轮1的半径大于齿轮2，所以输出轴转得较快。如果左边施加外电场，右边保持液态，则动力从齿轮3传到齿轮4，输出轴的