对一些智能材料的介绍.doc

对一些智能材料的介绍.doc对一些智能材料的介绍———郑## 应变电阻合金: 简介: 应变电阻合金是制造各类电阻应变计敏感栅的关键材料,是工业过程自动控制技术和现代试验应力分析技术的物质基础。出现于第二次世界大战结束的前后, 已经有六十多年的历史。电阻应变计是一种用途广泛的高精度力学量传感元件,其基本任务就是把构件表面的变形量转变为电信号,输入相关的仪器仪表进行分析。在自然界中,除超导外的所有物体都有电阻,不同的物体导电能力不同。物体电阻的大小与物体的材料性能和几何形状有关,电阻应变计正是利用了导体电阻的这一特点。随着现代科学技术的发展和应变电阻合金的开发及其生产工艺的日趋完善,电阻应变计及其各类测力传感器已广泛应用于国民经济的各个领域。原理: 金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。金属电阻应变片的工作原理是电阻应变效应,即金属丝在受到应力作用时,其电阻随着所发生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化。电阻应变效应的理论公式如下:由上式可知,金属丝在承受应力而发生机械变形的过程中, ρ、L、S三者都要发生变化,从而必然会引起金属丝电阻值的变化。当受外力伸张时,长度增加, 截面积减小,电阻值增加;当受压力缩短时,长度减小,截面积增大,电阻值减小。因此,只要测出电阻值的变化,便可知金属丝的应变情况。这种转换关系为式中:R--- 金属丝电阻值的变化量;Ko--- 金属材料的应变灵敏系数, 它主要由试验方法确定, 且在弹性极限内基本为常数值;ε--- 金属材料的轴向应变值,即,因此又称ε为长度应变值,对金属丝而言,其值勤在 -- 之间. 在实际应用中,将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测机械零件的表面。当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时,粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形,引起应变片电阻发生相应的变化。这时,电阻应变片便将力学量转换为电阻的变化量输出。材料分类: 按形状分: 有丝材和箔材两种。应变电阻合金丝材是早期制作一般应变计敏感栅的主要材料,通常直径为 扣nln 。随着材料科学和加工工艺的发展,丝材逐步被箔材所替代,目前使用的箔材厚度为 2一5拼m,而丝材主要用于高温环境或测量大应变等特殊要求的特种应变计。应变电阻合金箔材之所以能够替代丝材,主要是因为由箔材制成的箔式应变计与丝材制成的同类应变计相比有以下优点:(l) 结构形状准确。利用光刻技术能保证敏感栅的形状尺寸准确,因而在大批量生产时电阻值离散度小,并且能制成各种复杂形状以适应不同的测量要求;箔式应变计的基长最小可达 ,而丝式应变计则为 11mm 。(2) 允许电流大。箔材的表面积大、散热性能好,所以比丝式应变计的允许电流大。(3) 柔性好。箔式电阻应变计的厚度小,可以粘贴在形状复杂的试件上。(4) 疲劳寿命长。箔式应变计敏感栅可以避免力学上的强度不连续,获得最佳、最合理的形状,形成抗剪切的结构,因此拉伸性能好,疲劳寿命长。(5) 横向敏感度小。(6) 蠕变特性好。(7) 大量生产的成本较低。按材料分: 应变电阻合金大部分采用由周期表中 I、VI、VII 和Ⅷ族金属(Cu 、Cr、Mn、N i、Ag、Au等)形成的合金,应变电阻合金一般可分为铜镍系、镍铬系、镍钥系、铁铬系和贵金属系合金。应用: 电阻应变计的应用范围十分广泛,适用的结构包括航空、航天器、原子能反应堆、桥梁、道路、大坝以及各种机械设备、建筑物等;适用的材料包括钢铁、铝、木材、塑料、玻璃、土石、复合材料等各种金属及非金属材料。并且,它不仅适用于室内实验、模型实验,还可以在现场对实际结构或部件进行测量,这些特点是任何一种传感元件或传感器所不能比拟的。另外,它在对结构和设备的安全监测方面也有广泛的应用前景。声敏材料: 简介: 声敏传感器的作用是将气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号,因此,它也属力学量传感器。分类: 声敏传感器有多种分类法,下表列出按转换原理分类的传感器。原理: 对于声敏材料的原理,仅介绍几种一、压电声敏传感器如图 2所示,当外力使压电体产生应变时,在压电体的应变方向出现电荷。反之, 当压电体受外电场作用时,压电体产生机械应力。二、光纤声敏传感器利用光纤构成的声敏传感器有两种类型,一是利用光纤的光相位和损耗等特性随声压变化的声敏传感器,二是光纤仅作传输手段的声敏传感器。当前,利用光纤相位随声压变化的传感器更引人注意。(l) 双光纤干涉仪型声敏传感器双光纤干涉仪型声敏传感器的原理如图 5所示。激光器射出的两束光分别作信号光和参考光,前者导入传感器的螺状光纤中,以便增大光与声波的相互作用。声波使光相位变化,故信号光与参考光产生相位干涉,光检测器将这种干涉转变成与声压成比例的电信