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对一些智能材料的介绍 郑# 2011.3.13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，、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;-金属材料的轴向应变值,即 ,因此又称为长度应变值,对金属丝而言,其值勤在0.24-0.4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0.02一0.03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0.2mm，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和族金属(Cu、Cr、Mn、Ni、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号。上述传感器的最大特点是信噪比高，故用它可检测微弱声压。当传感器与声波作用的光纤长lm，输出功率为lmw，检测器带宽为1Hz时，传感器的检测下限与人类1kHz的可听极限(20Pa)相当，达到当前压电型水听器的最高水平。这种传感器的缺点是温度性能差，1Pa压力的相位变化与温度变化10-6相当。因温度变化的周期长，故该传感器用于检测频率高的超声波不成问题，而用于检测低频波还有待解决温度影响。（2）单束单模光纤型声敏传感器前述双光纤干涉仪型声敏传感器难于建立光学系统，不易获得最佳性能，故提出单束单模光纤的方案，其原理如下图所示。这种传感器是利用一次通过光纤的光和在光纤输出端反复反射后输出的光之间的干涉，若一次通过光纤的光相位变化，则内部反射光的相位变化3，故干涉光的相位差是2。这种传感器的内部反射光非常弱(是通常光的10-3)，故必须大大改进光纤端面的反射才能提高灵敏度。（3）传愉损耗型光纤声敏传感器光纤中传输的光因受声压作用而使其损耗发生变化，利用这种关系可构成声敏传感器。图7示出利用声压使光纤微弯曲而使其传输光的损耗发生变化的声敏传感器结构。若声压使光纤变形，则光纤中传输光散乱，模式之间发生祸合(能量交换)，某些模式的光向光纤外散射，故传输光能衰减。损耗随声压大小而变，故由发光功率和光强变化可知声压。这种传感器检测声压的下限与前述相位型光纤传感器的相当，其性能受环境温度的影响大。这种传感器的结构不宜用于检测高频声压。热释电材料简介：公元前372年,人们观察到电气石的热释电效应。到19世纪末,关于热释电效应定量的和理论的研究开始增多。20世纪60年代,激光和红外技术的发展,促进了热释电效应及其应用的研究,至今发现和改进了系列重要的热释电材料,研制出了性能优良的热释电探测器和热释电摄像管等器件。这类器件使用时不需要低温条件,频率特性好,能探测的红外波段非常宽,从可见光至远红外波段都可以探测,在热探测领域中占有十分重要的地位。近几年来,非致冷红外焦平面阵列技术的突破和发展,使热释电-铁电型非致冷红外焦平面阵列广泛地应用于军品和民品各个相关领域。热释电材料及其应用研究已成为凝聚态物理和技术中活跃的研究课题之一。原理：热释电材料具有自发极化特性的晶体材料。自发极化是指由于物质本身的结构在某个方向上正负电荷中心不重合而固有的极化。一般情况下，晶体自发极化所产生的表面束缚电荷被吸附在晶体表面上的自由电荷所屏蔽，当温度变化时，自发极化发生改变，从而释放出表面吸附的部分电荷。晶体冷却时电荷极性与加热时相反。热释电材料是一种压电材料，是不具有中心对称性的晶体。热释电效应指的是电介质的极化随温度改变的现象。设想一个铁电体，其中极化的排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束缚电荷。在热平衡状态，这些束缚电荷被来自体内的等量反号的自由电荷所屏蔽，所以铁电体对外界并不显示电的作用。当温度改变时，极化发生变化，原先的自由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷，于是表面出现自由电荷，它们在附近的空间形成电场，对带电微粒有吸引或排斥作用。如果与外电路连接，则可在电路中观测到电流，升温和降温两种情况下电流的方向相反。材料分类：目前,热释电材料主要可分为单晶材料(如硫酸三甘肽、CdS、LiTaO3、LiNbO3、SBN (铌酸锶钡)、KTN (钽铌酸钾)等),高分子有机聚合物及复合材料(如PVF (聚氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、PVDF-PT (聚偏二氟乙烯与钛酸铅复合)、PVDF-PZT (聚偏二氟乙烯与锆钛酸铅复合)、PT/P (VDF-TrFE)、PVDF-TGS等)和金属氧化物陶瓷及薄膜材料(如ZnO、BaTiO3、PMN (镁铌酸铅)、PST(钽钪酸铅)、BST (钛酸锶钡)、PbTiO3、PLT (钛酸铅镧)、PZT (锆钛酸铅)、PZNFT (PbZrO3-Pb (NbFe) O3-PbTiO3)、PLZT (锆钛酸铅镧)等)。晶体的自发极化随温度发生的变化是其热释电效应的来源。应用：热释电效应的发现虽然很早,但热释电材料的应用开发却很迟,直到20世纪70年代中期,随着红外技术的发展,在红外探测器中才得到重要的应用。热释电红外探测器、热释电测温仪、热释电摄像仪等现在已广泛应用于火焰探测、环境污染监测、非接触式温度测量、夜视仪、红外测厚计与水分计、医疗诊断仪、红外光谱测量、激光参数测量、家电自动控制、工业过程自动监控、安全警戒、红外摄像、军事、遥感、航空航天空间技术等领域。而随着微电子机械技术和集成铁电学的发展,薄膜型热释电红外探测器阵列和焦平面阵列已深受人们的关注。热释电单片式红外焦平面阵列和混合式非致冷红外焦平面阵列产品已进入商品和军品领域。随着非致冷红外焦平面阵列技术日益广泛地应用于军品和民品各个相关领域,热释电材料在红外探测领域必将发挥越来越大的作用,并从根本上改变目前红外光电子学的面貌。展望：采用具有低电学噪声特性、优异的频率特性的热释电材料制作的具有优异性能的热释电红外探测器和热释电-铁电非致冷红外焦平面阵列探测范围宽,可在室温下工作,成本低,易于小型化,易于推广应用,正好补偿了光量子探测器及其红外焦平面阵列探测范围主要在近、中红外波段,必须配备制冷设备,价格昂贵,成本高,难于实现系统进一步的小型化和大批量应用等不足之处。因此,可以设想,随着热释电材料、热释电-铁电非致冷红外焦平面阵列、室温探测器和热成像器件的进一步研究开发与进展,热释电材料及其应用器件将会有广阔的市场。磁敏电阻简介：磁敏电阻制备技术及相应传感器的开发与应用是磁敏感技术近二三十年来最蓬勃发展并实现产业化的新兴分支。它依据物理学磁致电阻效应，将磁场的变化无接触转化为材料的电阻率变化，从而把与磁场变化相联的各种运动形式转化为电信号输出，形成各种各样的传感器.磁敏传感器技术是涉及到许多应用领域、跨学科的综合性高新技术。分类及原理：磁敏电阻是一种高性能的磁敏感元件。其主要性能表现在对磁敏电阻施加磁场，其电阻值比未加磁场时发生明显的变化.磁敏电阻主要分成二大类，一类是半导体型，一类是强磁性金属薄膜型。通常半导体磁敏电阻是由基片、半导体电阻条(内含短路条)和引线三个主要部分组成的。基片又叫衬底，一般是用0.10.5mm厚的云母、玻璃作成的薄片，也有使用陶瓷或经氧化处理过的硅片作基片的。电阻条一般是用锑化锢(InSb)或砷化铟(InAs)等半导体材料制成的半导体磁敏电阻条，在制造过程中，为了提高磁敏电阻的阻值，缩小其体积、提高灵敏度，常把它作成如下图所示的结构。引线通常是用外铁磁物质的50100m的硅铝丝或020m的金丝体内引线，而用薄紫铜片等作为外引线，经超声压焊或金丝球焊与芯片连接起来。半导体材料的电阻率p随外磁场强度变化而变化的现象叫作平导体的物理磁阻效应或叫作磁阻率效应。这是由于在外施磁场的作用下，流经半导体磁敏电阻的载流子受洛仑兹力的作用使其流动途经发生偏斜，从而造成它从一个电极流到另一个电极所流过的途经(即载流子运动的轨迹)要比无磁场作用时所通过的途经要长，故其电阻值增大。强磁性金属薄膜磁敏电阻器件的结构如下图所示，和半导体磁敏电阻一样，它也是由基片、强磁性金属薄膜的电阻休和内外引线三部分组成的。基片一般是用厚为0.10.5mm的玻璃片、高频陶瓷片或经氧化处理的硅片;电阻体通常是采用半导体平面工艺中的真空镀膜(或溅射)、光刻、腐蚀工艺而制成的，所用的强磁性合金材料见表3;内引线是用硅铝丝或金丝采用超声压焊或金丝球焊而焊接的，外引线是用非磁性的铜片等材料焊接的。强磁性金属薄膜滋敏电阻的作用原理是强磁性体的磁阻效应，如图9所示，它是由两个磁阻效应组成的，在外施磁场的作用下，这两个磁阻效应同时产生。其中的一个磁阻效应是由外施磁场引起的自发磁化而产生的效应，当外施磁场的场强增大时，电阻就下降，这样自发盛化的磁阻效应是各向同性的(见图中约为8000A/m以上的强磁场部分)，因此把这种效应叫作强磁性体的各向同性磁阻效应;另一种磁阻效应是在外施磁场比较小的情况下才能观察到的一种效应，它是由于磁化方向和电流方向形成了一个角度，而在不同方向的外施磁场作用下，使电阻产生变化的一种磁阻效应，这种磁租效应叫作各向异性磁阻效应。这种效应是强滋性体特有的一种现象:即强磁性体在外施磁场的作用下，当流过强班性体的电流与其磁化方向平行时，其电阻最大，而流过其电流与其磁化方向垂直时，则其电阻最小。应用：将磁敏电阻元件的优异综合性能开发出来的工作，吸引了大量的科学工作者。各式各样性能优异的传感器、仪器仪表应运而生。现将国内外磁敏电阻型传感器获得成功的领域以图表的方式列出(图1、图2)，供参考。国内外发展概况：六十年代末、七十年代初，西德首先开始了对磁敏电阻效应的形成机理和材料制造方面的研究。七十年代末，西德为了提高磁敏电阻材料的制造质量，曾把Insb一Nisb共晶材料拿到人造卫星上去生长，探索排除地球引力对材料性能的影响。七十年代中后期到八十年代中期，西德西门子公司、BBc公司也对磁敏电阻片(又称场板)应用和传感器进行研究，并在电气机车、轧钢机械、精密磨床等方面进行应用，取得良好的效果。日本在七十年代开始对磁敏电阻材料制造方面进行研究.八十年代后期，由日本开发和生产系列化磁敏电阻传感器，主要有角度、位移、压力、倾斜角等几种，并很快在一些先进仪器设备和检测装置上得到应用，取得了良好的效果，数年里资产增至近十亿日元.随后，日本许多大公司，如荣通信工业株式会社、村田制作所、三洋电机(株)、松下电子部、旭化