智能材料在力值計量系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用

［關(guān)鍵詞］智能材料；力值計量；力傳感器；技術(shù)創(chuàng)新；系統(tǒng)集成

［中圖分類號］TB9 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0092–03

力值計量系統(tǒng)是現(xiàn)代工程技術(shù)和科學(xué)試驗中不可或缺的組成部分，它們廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測、工業(yè)自動化、醫(yī)療診斷及科研測量等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的力值計量技術(shù)雖然取得了一定的成就，但在靈敏度、精度、尺寸及環(huán)境適應(yīng)性方面仍存在限制。智能材料的出現(xiàn)為突破這些限制提供了可能。

1智能材料概述

1.1智能材料的定義

智能材料是指在外界刺激下，能夠發(fā)生明顯變化的一種或幾種人工合成的材料。智能材料作為人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等學(xué)科的研究熱點之一，可以根據(jù)外界條件做出相應(yīng)的調(diào)整。這類材料在傳感器、執(zhí)行器、醫(yī)療器械、能量系統(tǒng)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

1.2智能材料的分類和特點

智能材料可以回憶過去的形狀，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的溫度時，智能材料會恢復(fù)到過去的形狀。這一現(xiàn)象被稱作“形狀記憶”，其原因是在不同的溫度條件下，材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了相變。

智能材料包括以下幾種。①壓電介質(zhì)：當(dāng)有壓力時，壓電介質(zhì)會產(chǎn)生電壓，即在外加電場的作用下，會產(chǎn)生變形。②磁致伸縮物質(zhì)：在磁場中可使其大小發(fā)生變化。這一性質(zhì)可被用來對位置和力進(jìn)行精密控制的情況。③電致形變材料：在外加電場作用下，電致形變材料的形狀發(fā)生變化，當(dāng)電場消失后，其形狀仍然不變。不像壓電材料，其變形過程無需外加電場。

1.3智能材料的工作原理

智能材料的作用機(jī)理是通過改變其內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。比如，壓電材料是利用應(yīng)力引起的電荷極化來實現(xiàn)的；磁致伸縮材料的長度依賴于磁區(qū)的重排；電致變形是指在電場作用下，由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生重排而產(chǎn)生的形變。每一種智能材料的作用機(jī)理各不相同，但其共同之處是能夠?qū)崿F(xiàn)一種輸入到另外一種輸出，這為力測量帶來了新的契機(jī)。

2智能材料在力值計量系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用

2.1智能材料作為力傳感元素的優(yōu)勢

智能材料是一種新型的力敏元件，在高精密力學(xué)量測中具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。這種材料可以把壓力、拉力、扭矩等機(jī)械刺激轉(zhuǎn)換成電信號，具有比傳統(tǒng)傳感器更高的靈敏度和準(zhǔn)確性。另外，智能材料響應(yīng)速度快、尺寸可定制、可與微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）兼容等特點，使其在小型化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本項目擬采用先進(jìn)的信號處理和分析方法，實現(xiàn)對各種復(fù)雜環(huán)境下的高精度測量。另外，智能材料具有可編程、自診斷等特性，可以方便地進(jìn)行標(biāo)定、維修，縮短系統(tǒng)停機(jī)時間，提升總體工作效率。

2.2智能材料在力值計量中的設(shè)計原則

在力量儀的設(shè)計過程中，為了保證力量儀的性能達(dá)到最佳，采用了一系列的方法：①根據(jù)測試要求，選用與測試要求相適應(yīng)的智能材料，包括靈敏度、穩(wěn)定性、耐用性和與測試環(huán)境的兼容性等。②設(shè)計力敏感單元，在充分發(fā)揮功能的前提下，使其能夠自由地對機(jī)械刺激做出反應(yīng)，并精確地將相應(yīng)的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化。③在整合過程中，還需對其大小、形狀進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，并與電子閱讀器進(jìn)行有效的界面連接。在此基礎(chǔ)上，提出了一種針對溫度波動及其他擾動的補償方法，以確保系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定工作，并具有較高的輸出精度。

2.3智能材料與MEMS的結(jié)合

智能材料與MEMS 的交叉融合是材料科學(xué)、機(jī)械、電子、計算等學(xué)科交叉的前沿課題。在溫度、壓力、電磁場等刺激下，智能材料能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)、自愈合等功能。MEMS 則是將傳感器、執(zhí)行器、微處理器等多個功能部件結(jié)合在一起的微型機(jī)電系統(tǒng)，具有感知、處理、控制等功能。在 MEMS 中引入智能材料，可以極大地提升MEMS 的靈敏度、準(zhǔn)確性和可靠性，提高其在生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測和航空航天等方面的應(yīng)用。所以，將智能材料與 MEMS 相結(jié)合，會給技術(shù)創(chuàng)新與工業(yè)發(fā)展帶來新的機(jī)遇與空間。

3集成智能材料的力值計量系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)集成策略

為了保證智能材料和測試系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行，必須采用系統(tǒng)一體化的方法：①針對特定的測試要求，選取合適的智能材料，并找出最優(yōu)的工作區(qū)間。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的力敏器件，即在保證信號完整性的前提下，實現(xiàn)對傳感體系的有效傳輸。②需要研究智能材料與其他器件的兼容問題，包括信號的放大、變換、傳輸?shù)?，并將它們集成到電路中。③在保證可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，對整個系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使其具有良好的可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性。

3.2智能材料的性能優(yōu)化

對智能材料進(jìn)行性能優(yōu)化是提高其敏感性能的關(guān)鍵。實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于對智能材料的組分進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，如通過摻雜、修飾等手段提高其壓電性和形狀記憶性能。同時，利用外加電場、磁場、溫度等外界刺激對其性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，使其適用于各種場合。另外，通過優(yōu)化制備工藝，使其具有優(yōu)異的綜合性能，并通過特定的沉積工藝或熱處理工藝來保證其性能的一致性與穩(wěn)定性。最終實現(xiàn)在滿足特殊工況下的同時具備優(yōu)異性能的智能型敏感材料。

3.3信號處理與數(shù)據(jù)解析

在智能材料傳感系統(tǒng)中，信號的處理與分析是獲取精確信息的關(guān)鍵。為了抑制噪聲和提高檢測信號的信噪比，必須設(shè)計出有效的信號處理算法。這需要使用過濾器及采用自適應(yīng)噪聲消除技術(shù)。在數(shù)據(jù)分析上，本項目將針對智能材料傳感系統(tǒng)中所產(chǎn)生的信息進(jìn)行處理，包括數(shù)字處理、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，研發(fā)相應(yīng)的軟件。這一步的主要目的是保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.4校準(zhǔn)與溫度補償技術(shù)

研究一種高效的標(biāo)定及溫度補償方法，以確保其在各種環(huán)境下均能獲得精確的測試結(jié)果。其中涉及一套完整的標(biāo)定流程，用以測定在各種情況下的靈敏材料感測器的反應(yīng)曲線。而溫度補償技術(shù)主要包括對溫度相關(guān)性的研究，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的補償方法，即采用附加的溫度傳感器，并通過算法對輸出信號進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，通過本項目的研究，將為智能材料傳感器的實用化提供保障。一種基于溫度補償?shù)母呔褥o力水準(zhǔn)儀及其溫度補償方法與流程如圖2所示。

4技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展展望

4.1當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

（1）智能材料在長期反復(fù)荷載、苛刻工作條件下，其性能穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。

（2）目前的加工工藝制約著具有復(fù)雜外形的智能感知器件的制備與規(guī)?；瘧?yīng)用。

4.2解決方案與研究方向

為解決以上問題，本項目擬從智能材料制備與制備工藝兩個方面入手，以提升其性能穩(wěn)定性與相容性。同時，發(fā)展3D打印等新工藝，制備具有復(fù)雜外形與結(jié)構(gòu)的敏感元件。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的基于多模態(tài)信息的新型智能材料體系，以提高其在復(fù)雜環(huán)境下的綜合性能。

4.3未來發(fā)展趨勢預(yù)測

隨著材料科學(xué)、MEMS 及信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能材料將呈現(xiàn)出更豐富的功能，以應(yīng)對越來越復(fù)雜的測試環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，將人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，可進(jìn)一步提高智能材料體系的智能程度，使其具備更高層次的數(shù)據(jù)分析與自標(biāo)定能力。

5結(jié)束語

文章提出了一種基于智能材料的力學(xué)力測量方法，該方法具有響應(yīng)快、自標(biāo)定能力強等優(yōu)點，為實現(xiàn)高精度檢測提供了可靠的技術(shù)支撐。該項目的實施將推動力測量技術(shù)的發(fā)展，并為其在智能材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供新思路。