NiTi合金温度传感驱动器

1课程设计课程名称电子元器件与工艺题目名称NiTi合金温度传感驱动器学生学院___材料与能源学院______专业班级__11电材（1）班_____学号3111007193学生姓名________________指导教师____谢致薇____________2014年7月10日23摘要1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到记忆效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。形状记忆合金在生物工程、医药、能源和自动化等方面有广阔的应用前景。人类跨进了信息科学与技术全新发展的21世纪。信息技术与材料、能源、交通被认为是当代科学技术的四大支柱。现代信息技术的基础包括信息的采集技术（传感技术）、传输技术（即通讯技术）和执行处理（即计算机技术）。系统对外界的应答过程包括感知环境的变化（即信息的采集）、处理已采集的信息、对环境变化作出响应（动作）三个过程。第一个过程是由传感材料和传感器来完成的，第二个过程一般由计算机系统完成、第三个过程由执行（驱动）系统完成。能同时兼具以上三大功能、应答外界刺激的系统成为智能系统。一般的智能系统都是由多种材料与机构组成的。若单一一种材料能同时兼具上述三大功能，即集感知、处理与执行三大功能于一体，则称之为智能材料。NiTi形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正不断被开发，例如用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。本次设计主要是利用NiTi形状记忆合金制作一个由于温度的改变，做出相应响应的传感器。NiTi合金，偏振弹簧、电阻和蜂鸣器等组成的系统可以比较精确地对某些温度点进行报警。本次研究的内容主要是NiTi合金在一个连续温度变化范围内的形变情况，而不是针对一个点。关键词：NiTi形状记忆合金、偏振弹簧、迟滞性、功能材料4目录摘要一.设计课题任务，功能要求及总体方案介绍··································51.1任务···································································51.2功能要求说明···························································51.3总体方案介绍···························································51.3.1总体方案·························································51.3.2方案选择·························································51.3.3工作原理··························································51.3.4电路总原理图框图·················································7二．实验数据及其分析·······················································72.1弹簧变位量···························································72.1.1偏置弹簧扁位量···················································72.1.2记忆合金变位量····················································82.2载荷—位移曲线·······················································8三．装置的制作调试与改进····················································9四．分析与讨论······························································10五．体会······································································11六．附录······································································115一．设计课题任务及总体方案介绍1.1任务1．以NiTi形状记忆合金为敏感驱动元件的温度传感驱动器的设计；2．以NiTi形状记忆合金为敏感驱动元件的温度传感驱动器的制作；3．以NiTi形状记忆合金为敏感驱动元件的温度传感驱动器特性测试1.2功能要求说明1．传感驱动器承载能力优于1N范围内，动作行程优于8mm；2．传感驱动器具有超温报警的功能；1.3总体方案介绍1.3.1总体方案用NiTi合金和普通弹簧形成一个偏置式双程动作元件，该动作元件在不同的温度下将会产生不同的位移量，通过其位移量的不同对不同温度点进行报警。1.3.2方案选择方案一：将记忆合金弹簧和偏置弹簧相接，再将一端固定，另一端则与电路相连。方案二：将记忆合金弹簧和偏置弹簧相接，再将其固定在一根轴上，其两端固定在轴的两端，而且弹簧的总长度可根据实际需要而调整轴的长度来进行调节。以轴为中心制作一个简易的支架，两根弹簧的连接出设置一个挡板，用于与电路相连。在本次设计采用方案二。1.3.3工作原理既可以利用单程形状记忆效应、也可以利用双程形状记忆效应制作具有双程动作特性的驱动器。用具有单程SME的元件与其他部件组合在一起实现双向动作特性的方式称为偏置式，用两个或两个以上形状记忆合金组合在一起实现双向动作特性的方式称为差动式。两种方式均利用了SMA在P相时高的屈服应力和M相时低的屈服应力的特点。其工作原理可用图4说明。记忆合金丝的下端吊挂一重量为FB的重锤(图4a)，重锤给记忆合金一个偏置力。设合金在P时的屈服力为FP，在M时的屈服力为FM，则偏置力FB必须满足：PBMFFF(图4b)6在低温时，由于FBFM，故合金丝被重锤拉长，高温时，由于FBFP，故合金丝在回复力作用下收缩，从而实现不同温度下的可逆移动。在设置动作行程时，应注意使其工作在图4b所示的平台范围内；低温下的行程可用在重锤下设挡块的方法调节。偏置式双程动作元件常采用螺旋弹簧形式的记忆合金，同时配置一个普通弹簧组合使用。可采用图5a所示的组合方式(SMA压簧)，低温时偏置簧被拉长，高温时SMA簧被拉长，偏置簧被压缩；当然也可采用相反的方式(SMA拉簧——本课程设计采用这种方式)，低温时SMA簧被拉长，偏置簧被压缩，高温时SMA簧收缩，偏置簧被拉长。图5偏置式双程驱动器的结构示意图(a)和载荷—位移曲线(b)这种偏置式元件目前应用最广泛，其最大优点是结构简单，成本较低，但动作行程较小。因为SMA的回复力随热循环次数的增大而逐渐衰减，当偏置力较大时，这种衰减更明显。使用时，为增大行程，必然会增大偏置力，此时形状回复力将急剧衰减。因此，只能通过改变其他组件结构的方式增大动作行程，例如可采用力矩方式将行程放大。图5b给出了偏置式元件的动作原理，图中负斜率直线相当于偏置簧的负载—变形(伸长)7曲线，90C和室温正斜率曲线分别对应于SMA弹簧在P态和M态下的负载—变形曲线。从图可知，室温时，两个弹簧力在B处达到平衡，此时SMA的变形量为34mm，偏压簧的变形量为16mm；高温时，两力在A处平衡，变形量分别为16mm和34mm，动作行程为18mm。若驱动器对外作功，根据图5b，当需在高温和低温两个状态分别取出0.5N对外作功时，高温时变形量为19mm，低温时变形量为29mm，动作行程减至10mm。将图5a中的偏压簧改成SMA弹簧，即成为差动式元件，它通过交替加热两侧的SMA弹簧实现往复可逆运动。差动式双程动作元件的最大优点是产生的驱动力大，能量转换效率高。如图4b所示，偏置式的发生力是FA-FB或FB-FM，而差动式的发生力可达FA-FM。1.3.4电路总原理图框图二．实验数据2.1弹簧变位量2.1.1偏置弹簧变位量偏置弹簧原长5cm82.1.2记忆合金变位量记忆合金弹簧原长5cm2.2载荷—位移曲线根据设计需要，本次选取的偏置弹簧为中等强度，本人选取记忆合金的温度点为75℃，故得到的载荷—位移曲线如下：9三．装置的制作调试与改进初始装置图：在初次测试时发现中间挡板并不是想象中那样水平移动，而是移动的时候带有旋转，经过仔细观察后发现形状记忆合金弹簧在热水中收缩时有轻微的转动，从而引起挡板的旋转，使挡板不能与电路接触。10发现问题后必须想办法解决，于是我们就想办法把中间挡板的上方固定在一根轴上，使挡板不再旋转。改进后的装置图：该装置可以通过左右移动中间水平的木条块来调节弹簧的总长度，从而调整各个温度点的报警精度。挡板上端加了固定轴后，挡板就能水平移动，从而确保与电路的接触，达到报警的目的。四．分析与讨论虽然装置经过多次的测试能达到报警温度精度在±0.5℃之间，不过在验收时却发觉某些报警温度点比测试时的偏差还要大许多，经过我们小组讨论得出如下结论。验收时出现较大误差是有几个方面的原因导致的：1、由于多次在水浴中测试，使得弹簧有部分地方生锈，导致其的劲度系数有所变化；2、在水中调试也加快了中心轴的氧化生锈，使轴和弹簧之间的摩擦变大；3、记忆合金弹簧经过多次调试后，在相同温度下其收缩量有微小的减小；4、电路板与挡板的接触处固定不够牢固；5、电路板与挡板的接触点均用焊锡团制作，导致其接触不够准确，该将其中一端改为金属平11面从而提高接触的准确度。五．体会经过这次的课程设计，深刻的体会到动手能力的重要性。在高中的时候就听说过记忆合金这种东西，第一感觉是觉得好神奇，但并不知道其恢复原状的原理，现在终于明白了。通过这次课程设计，了解认识了记忆合金的相变特性和温度特性。也使我明白到想法跟实际总是有很大差距，想法到实物是一个漫长的过程。由于材料和加工条件的限制，使得实物并不像想象中的那么美好。我们能做到的就是尽可能的利用身边的材料。即使做出了装置，但让有许多问题需要我们自己去发现去改进，就如我们在验收时与测试时就有相当大的误差，这就需要我们反省和想办法改进，第一次做出来的东西是不可能很完美的，需要我们一步步的去发现去改进才能接近与美好。这次以小组为单位的课程设计，使我明白到要善于跟队友合作，集思广益，提高大家的积极性，这样才能做得更好。再设计的过程中难免会产生分歧，这时候就需要我们认真听取对方的意见，考虑其可行性，最终选取可行性较高的方案。六．附录测试时的装置：12