CN107747902A - 一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，具体包括以下步骤：1）取形状记忆合金分别作为测试传感器和参照传感器；2）采用电阻率测试系统对未变形的测试传感器和参照传感器分别进行测定，计算参照传感器和未变形的测试传感器的电阻率及其差值；3）采用电阻率测试系统对变形的测试传感器和参照传感器分别进行测定，计算参照传感器和变形的测试传感器的电阻率及其差值；4）根据电阻率变化值，计算得到测试传感器的应变值。本发明提供的一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，实现对结构变形和位移的高精度实时监测，可极大程度上消除形状记忆合金应变传感器由于不同测试环境或预应变导致的测量误差。

Description

一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法

技术领域

本发明属于测量变形或者位移的应变传感器领域，涉及一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，具体涉及采用形状记忆合金作为应变传感材料制备形状记忆合金应变传感器并对形状记忆合金应变传感器的应变值进行测定从而对测量误差进行降低消除的方法。

背景技术

应变传感器是用于监测材料、结构应变状态的精密器件，在诸多领域，尤其是建筑、桥梁等土木结构的安全监控方面有着广泛的应用。目前，较为典型的应变传感器是基于电阻率变化的传感器，根据材料弹性变形过程中电阻率与应变的线性关系，通过测量材料电阻率的方法得到应变的大小。应变片一般选用性能稳定，弹性较好的材料，比如康铜，通过精巧的设计制造而成。尽管如此，这种类型的传感器适合于测量应变较小的变形，当变形增大到超出传感器材料的弹性变形阶段后便不再适用，常规的应变测试极限为3％。

形状记忆合金是一种能够实现较大应变回复的金属材料。形状记忆合金一般有奥氏体相与马氏体相两种晶格结构，当材料在奥氏体状态施加应力时，材料通过可逆的马氏体相变产生较大的可恢复变形，并伴随线性的电阻率提高现象。因此，可将形状记忆合金应用于应变传感器领域。

然而，基于形状记忆合金作为测试元件的应变传感器开发也存在较多的问题。形状记忆合金的应力诱发相变及其伴随的电阻率变化往往受到环境温度的影响而有一定的变化；此外，在安装形状记忆合金时，常需要施加一个预应力使材料处于绷紧的状态，而预应力加载的量值对电阻率也会产生一定的影响。总的来说，这两种因素都会引入误差，从而影响形状记忆合金的测量应变的精确度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种形状记忆合金应变传感器的测量应变值的方法，用于解决现有技术中缺乏因环境温度变化和预应变差异导致的形状记忆合金应变传感器的应变值测定不准确从而降低测量误差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，具体包括以下步骤：

1)取形状记忆合金分别作为测试传感器和参照传感器，将测试传感器固定在被测物体上；

2)在初始环境温度下，采用电阻率测试系统对未变形的测试传感器和参照传感器分别进行测定，通过公式Ⅰ、Ⅱ计算参照传感器的电阻率ρ₁，通过公式Ⅲ、Ⅳ计算未变形的测试传感器的电阻率ρ₂，并通过公式Ⅴ计算得到两者的差值ρ；

R₁＝U₁/I₁ (Ⅰ)，

ρ₁＝R₁S₁/l₁ (Ⅱ)，

R₂＝U₂/I₂ (Ⅲ)，

ρ₂＝R₂S₂/l₂ (Ⅳ)，

ρ＝ρ₂-ρ₁ (Ⅴ)，

其中，

R₁：在初始环境温度下，参照传感器待测间距内的电阻值，欧姆(Ω)；U₁：在初始环境温度下，参照传感器待测间距内的电压值，伏特(V)；I₁：在初始环境温度下，参照传感器待测间距内的电流值，安培(A)；S₁：在初始环境温度下，参照传感器的横截面积，平方米(m²)；l₁：在初始环境温度下，参照传感器的长度，米(m)；ρ₁：在初始环境温度下，参照传感器的电阻率，欧姆米(Ω·m)；

R₂：未变形的测试传感器待测间距内的电阻值，欧姆(Ω)；U₂：未变形的测试传感器待测间距内的电压值，伏特(V)；I₂：未变形的测试传感器待测间距内的电流值，安培(A)；S₂：未变形的测试传感器的横截面积，平方米(m²)；l₂：未变形的测试传感器的长度，米(m)；ρ₂：未变形的测试传感器的电阻率，欧姆米(Ω·m)；

ρ：未变形的测试传感器与参照传感器的电阻率差值，欧姆米(Ω·m)；

3)在变化环境温度下，采用电阻率测试系统对变形的测试传感器和参照传感器分别进行测定，通过公式Ⅵ、Ⅶ计算参照传感器的电阻率ρ₁’，通过公式Ⅷ、Ⅸ计算变形的测试传感器的电阻率ρ₂’，并通过公式Ⅹ计算得到两者的差值ρ’；

R₁’＝U₁’/I₁’ (Ⅵ)，

ρ₁’＝R₁’S₁’/l₁’ (Ⅶ)，

R₂’＝U₂’/I₂’ (Ⅷ)，

ρ₂’＝R₂’S₂’/l₂’ (Ⅸ)，

ρ’＝ρ₂’-ρ₁’ (Ⅹ)，

其中，

R₁’：在变化环境温度下，参照传感器待测间距内的电阻值，欧姆(Ω)；U₁’：在变化环境温度下，参照传感器待测间距内的电压值，伏特(V)；I₁’：在变化环境温度下，参照传感器待测间距内的电流值，安培(A)；S₁’：在变化环境温度下，参照传感器的横截面积，平方米(m²)；l₁’：在变化环境温度下，参照传感器的长度，米(m)；ρ₁’：在变化环境温度下，参照传感器的电阻率，欧姆米(Ω·m)；

R₂’：变形的测试传感器待测间距内的电阻值，欧姆(Ω)；U₂’：变形的测试传感器待测间距内的电压值，伏特(V)；I₂’：变形的测试传感器待测间距内的电流值，安培(A)；S₂’：变形的测试传感器的横截面积，平方米(m²)；l₂’：变形的测试传感器的长度，米(m)；ρ₂’：变形的测试传感器的电阻率，欧姆米(Ω·m)；

ρ’：变形的测试传感器与参照传感器的电阻率差值，欧姆米(Ω·m)；

4)通过公式Ⅺ计算得到电阻率变化值Δρ，并通过公式Ⅻ计算得到测试传感器的应变值；

Δρ＝ρ’-ρ (Ⅺ)，

ε＝k·Δρ (Ⅻ)，

其中，Δρ：电阻率变化值，欧姆米(Ω·m)；k：电阻率与应变值的比例关系因子(电阻率-应变值线性对应关系对应直线斜率的倒数)，Ω^-1·m^-1；ε：测试传感器的应变值。

上述k值是在室温环境中，采用力学测试仪测定参照传感器的应变值，并同时测量变形前后参照传感器的ρ₁’与ρ₁的差值，将应变值除以ρ₁’与ρ₁的差值而获得。由于k值在应变传感器使用温度范围内(室温附近)与温度关系不大，近似认为k值为一常数，只取决于材料本身的属性。标定k值时用于测量应变的力学测试仪为Zwick/Roell Z020型万能力学实验机。

优选地，步骤1)中，所述形状记忆合金选自钛镍合金(TiNi)、钛镍铁合金(TiNiFe)、钛镍钴合金(TiNiCo)、钛镍铜合金(TiNiCu)、钛镍铌合金(TiNiNb)、铜铝锰合金(CuAlMn)、铜铝镍合金(CuAlNi)、铜锌铝合金(CuZnAl)、铁镍钴钛合金(FeNiCoTi)、铁镍钴铝合金(FeNiCoAl)、铁锰硅合金(FeMnSi)中一种。

更优选地，所述形状记忆合金为钛镍合金(TiNi)。

进一步优选地，所述钛镍合金，按质量百分比计，包括以下组分：

钛 42-46％；

镍 54-58％。

最优选地，所述钛镍合金，按质量百分比计，包括以下组分：

钛 44％；

镍 56％。

优选地，步骤1)中，所述形状记忆合金的马氏体转变开始温度≤0℃。

优选地，步骤1)中，所述形状记忆合金选自形状记忆合金薄膜或形状记忆合金丝材中的一种。

更优选地，所述形状记忆合金薄膜要进行时效处理，所述时效处理的条件为在300-400℃中温时效0.1-5小时。

更优选地，所述形状记忆合金薄膜的厚度为0.5-50微米。进一步优选地，所述形状记忆合金薄膜厚度为10微米。

更优选地，所述形状记忆合金薄膜层积或者粘贴在塑料薄膜基底上，所述塑料薄膜基底的厚度为1-50微米。

更优选地，所述形状记忆合金丝材的直径为0.1-0.5毫米。进一步优选地，所述形状记忆合金丝材的直径为0.15毫米。

上述测试传感器和参照传感器采用相同成分、相同热处理的形状记忆合金。上述测试传感器和参照传感器采用的形状记忆合金为具有相同厚度的形状记忆合金薄膜或者相同直径的形状记忆合金丝材。

优选地，步骤1)中，所述将测试传感器固定在被测物体上的固定装置为用于固定形状记忆合金薄膜的胶带或用于固定形状记忆合金丝材的紧固螺栓。

优选地，步骤1)中，所述测试传感器固定在被测物体上，并施加预应力使其处于绷紧状态。更优选地，所述预应力为0.1-3MPa。进一步优选地，所述预应力为2MPa。

优选地，步骤1)中，所述参照传感器不固定在被测物体上，处于不受力地自由状态。

优选地，步骤2)或3)中，所述电阻率测试系统包括有一组电流输入与测量端口和一组电压输出与测量端口，所述电流输入与测量端口和电压输出与测量端口分别与一个恒流电源连接。所述电阻率测试系统根据欧姆定律设计，通过直接测量电流和电压，计算获得电阻值。

优选地，步骤2)或3)中，所述电阻率测试系统经导线分别与测试传感器或参照传感器相连接。更优选地，所述导线与测试传感器或参照传感器通过锡焊或点焊的方式连接。

更优选地，所述电阻率测试系统的电流输入与测量端口和电压输出与测量端口，经导线分别与测试传感器或参照传感器的两端相连接。

优选地，步骤2)或3)中，所述电阻率测试系统的测试方法为通过测量测试传感器或参照传感器两端的电流与电压，并根据欧姆定律计算得到电阻值，再通过电阻值计算得到电阻率值，具体即在测试传感器或参照传感器两端通上恒定电流作为输入信号，测量测试传感器或参照传感器待测间距内的电压作为输出信号，用电压除以电流得到待测间距内测试传感器或参照传感器的电阻值，再根据公式ρ＝RS/l计算得到电阻率值。

优选地，步骤4)中，所述测试传感器的应变值的测试原理(见图2)为，初始状态时，环境温度为T₁，测试传感器的电阻率值与应变之间的线性对应关系可以用T₁所在的曲线表示。安装测试传感器时，对测试传感器施加一定的预应变使其处于绷紧状态。此时，读取测试传感器上电阻率ρ₂，读取参照传感器上电阻率ρ₁，两者之间的差值ρ₂-ρ₁与T₁斜率的比值即是预拉伸应变的大小。经过一段时间，待测物体产生变形并带动测试传感器变形，此时环境温度变为T₂，测试传感器的电阻率值与应变之间的对应关系可以用T₂所在的曲线表示。此时，读取测试传感器上电阻率为T₂曲线B点的电阻率ρ₂’，读取参照传感器上变形为0的T₂曲线的电阻率ρ₁’，所需测量的实际应变对应的电阻率变化为Δρ＝(ρ₂’-ρ₁’)-(ρ₂-ρ₁)。之后，根据电阻率值与应变之间的对应关系，用Δρ除以T₂的斜率即Δρ乘以k(T₂的斜率的倒数)获得实测的应变大小，由于电阻率与应变之间对应关系曲线的斜率与温度关系不大，可以近似认为T₂所在曲线的斜率等于T₁所在曲线的斜率。

如上所述，本发明针对形状记忆合金应用于应变测量时易受环境温度和预加应变影响的问题，公开了一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法。通过在测试传感器的基础上，设置另一组形状记忆合金作为参照传感器，两组形状记忆合金采用相同的材料，参照传感器处于不受应力的自由状态，通过实时测量测试传感器与参照传感器的同步电阻率差值作为输出量，利用电阻变化率与应变值之间体现出的线性对应关系，根据该输出量数值换算获得待测应变值的大小，无需仪器重复、繁琐测试，从而实现对结构变形和位移的高精度实时监测，可极大程度上消除形状记忆合金应变传感器由于不同测试环境或预应变导致的测量误差。

附图说明

图1显示为本发明的总体结构示意图，其中：1、待测物体；2、固定装置；3、固定在待测物体上的测试传感器；4、导线；5、电阻率测试系统；6、参照传感器。

图2显示为本发明的测试的原理示意图。

图3显示为本发明的阶梯加载时获得的载荷-位移-电阻率变化Δρ结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指相对压力。

此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，采用镍钛形状记忆合金丝材分别作为测试传感器和参照传感器，丝材直径为0.15mm，合金成分按质量百分比计为：镍：56％；钛44％。其马氏体转变起始温度M_s＝-10℃，室温下为超弹性合金丝材。如图1所示，待测构件长为120cm，宽与高都为15cm，构件两端下方由两个支点撑住，构件待测长度为80cm，用紧固螺栓在待测间距的两端将测试传感器固定住，并施加一定的预应力使测试传感器绷紧，之后将电阻率测试系统的4根导线(两根电流输入线，两根电压信号输出线)用锡焊焊接在测试传感器上。同时将另一测试通道的四根导线连在另一未受应力的相同材料的参照传感器上。

如图2所示，在初始环境温度T₁下，测出初始状态的测试传感器上的电阻率ρ₂(T₁)，同时测出未受应力的参照传感器上的电阻率ρ₁(T₁)，并计算两者的差值ρ＝ρ₂(T₁)-ρ₁(T₁)。在变化环境温度T₂下，对待测构件施加应力使构件变形，测量测试传感器上的电阻率ρ₂’(T₂)，同时测出未受应力的参照传感器上的电阻率ρ₁’(T₂)，并计算两者的差值ρ’＝ρ₂’(T₂)-ρ₁’(T₂)。然后，如图3所示，可以看出形状记忆合金的电阻率与变形位移保持着良好的线性对应关系，图3为根据实施例1在室温下测得的电阻率变化Δρ，应变，载荷与测试时间的关系曲线。根据图3中的形状记忆合金电阻率与应变的对应关系，通过ε＝k·Δρ＝k·(ρ’-ρ)计算得到构件在80cm跨度内的应变大小，其中k为电阻率与应变的比例关系因子，即图2中斜线T₁或者T₂的斜率的倒数，计算获得电阻率与应变之间的比例关系因子为1.46，计算出的加载过程中构件产生的应变为0.366％，与根据压头位移2.6mm计算出的应变值相符，表明采用该方法测得的应变具有极低的误差。

实施例2

一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，将镍钛形状记忆合金薄膜通过胶带粘贴方式固定在厚度为10微米，宽为3mm，长为30mm的背胶塑料薄膜上，制成基本的形状记忆合金传感器。其薄膜厚度为10微米，薄膜经过400℃时效退火3小时，薄膜马氏体转变结束温度在-40℃，薄膜成分按质量百分比计为：镍：56％；钛44％。测试时，取两片规格相同的镍钛形状记忆合金薄膜，一片粘贴于待测物体上，作为测试传感器；一片处于自由状态作为参照传感器。将电阻率测试系统的4根导线(两根电流输入线，两根电压信号输出线)用锡焊焊接在测试传感器上。同时将另一测试通道的四根导线连在另一未受应力的相同材料的参照传感器上。

如图2所示，在初始环境温度T₁＝20℃下，测出初始状态的测试传感器上的电阻率ρ₂(T₁)＝1.27056μΩ·m，同时测出未受应力的参照传感器上的电阻率ρ₁(T₁)＝1.27015μΩ·m，并计算两者的差值ρ＝ρ₂(T₁)-ρ₁(T₁)＝0.00041μΩ·m。经过一段时间后，在变化环境温度T₂＝25℃下，待测物体带动测试传感器产生变形，测量测试传感器上的电阻率ρ₂’(T₂)＝1.28325μΩ·m，同时测出未受应力的参照传感器上的电阻率ρ₁’(T₂)＝1.27028μΩ·m，并计算两者的差值ρ’＝ρ₂’(T₂)-ρ₁’(T₂)＝0.01297μΩ·m。然后，根据形状记忆合金电阻率与应变的对应关系ε＝k·Δρ＝k·(ρ’-ρ)，代入电阻率与应变的比例关系因子k＝1.46，计算得到实测的应变大小为1.83％，与采用激光引伸计测得的应变值1.82％非常接近，误差值约为0.55％，表明采用本专利所示方法测得的应变值具有极高的精确度。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，具体包括以下步骤：

1)取形状记忆合金分别作为测试传感器和参照传感器，将测试传感器固定在被测物体上；

2)在初始环境温度下，采用电阻率测试系统对未变形的测试传感器和参照传感器分别进行测定，通过公式Ⅰ、Ⅱ计算参照传感器的电阻率ρ₁，通过公式Ⅲ、Ⅳ计算未变形的测试传感器的电阻率ρ₂，并通过公式Ⅴ计算得到两者的差值ρ；

R₁＝U₁/I₁ Ⅰ，

ρ₁＝R₁S₁/l₁ Ⅱ，

R₂＝U₂/I₂ Ⅲ，

ρ₂＝R₂S₂/l₂ Ⅳ，

ρ＝ρ₂-ρ₁ Ⅴ，

其中，

R₁：在初始环境温度下，参照传感器待测间距内的电阻值，Ω；U₁：在初始环境温度下，参照传感器待测间距内的电压值，V；I₁：在初始环境温度下，参照传感器待测间距内的电流值，A；S₁：在初始环境温度下，参照传感器的横截面积，m²；l₁：在初始环境温度下，参照传感器的长度，m；ρ₁：在初始环境温度下，参照传感器的电阻率，Ω·m；

R₂：未变形的测试传感器待测间距内的电阻值，Ω；U₂：未变形的测试传感器待测间距内的电压值，V；I₂：未变形的测试传感器待测间距内的电流值，A；S₂：未变形的测试传感器的横截面积，m²；l₂：未变形的测试传感器的长度，m；ρ₂：未变形的测试传感器的电阻率，Ω·m；

ρ：未变形的测试传感器与参照传感器的电阻率差值，Ω·m；

3)在变化环境温度下，采用电阻率测试系统对变形的测试传感器和参照传感器分别进行测定，通过公式Ⅵ、Ⅶ计算参照传感器的电阻率ρ₁’，通过公式Ⅷ、Ⅸ计算变形的测试传感器的电阻率ρ₂’，并通过公式Ⅹ计算得到两者的差值ρ’；

R₁’＝U₁’/I₁’ Ⅵ，

ρ₁’＝R₁’S₁’/l₁’ Ⅶ，

R₂’＝U₂’/I₂’ Ⅷ，

ρ₂’＝R₂’S₂’/l₂’ Ⅸ，

ρ’＝ρ₂’-ρ₁’ Ⅹ，

其中，

R₁’：在变化环境温度下，参照传感器待测间距内的电阻值，Ω；U₁’：在变化环境温度下，参照传感器待测间距内的电压值，V；I₁’：在变化环境温度下，参照传感器待测间距内的电流值，A；S₁’：在变化环境温度下，参照传感器的横截面积，m²；l₁’：在变化环境温度下，参照传感器的长度，m；ρ₁’：在变化环境温度下，参照传感器的电阻率，Ω·m；

R₂’：变形的测试传感器待测间距内的电阻值，Ω；U₂’：变形的测试传感器待测间距内的电压值，V；I₂’：变形的测试传感器待测间距内的电流值，A；S₂’：变形的测试传感器的横截面积，m²；l₂’：变形的测试传感器的长度，m；ρ₂’：变形的测试传感器的电阻率，Ω·m；

ρ’：变形的测试传感器与参照传感器的电阻率差值，Ω·m；

4)通过公式Ⅺ计算得到电阻率变化值Δρ，并通过公式Ⅻ计算得到测试传感器的应变值；

Δρ＝ρ’-ρ Ⅺ，

ε＝k·Δρ Ⅻ，

其中，Δρ：电阻率变化值，Ω·m；k：电阻率与应变值的比例关系因子，Ω^-1·m^-1；ε：测试传感器的应变值。

2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，其特征在于，步骤1)中，所述形状记忆合金选自钛镍合金、钛镍铁合金、钛镍钴合金、钛镍铜合金、钛镍铌合金、铜铝锰合金、铜铝镍合金、铜锌铝合金、铁镍钴钛合金、铁镍钴铝合金、铁锰硅合金中一种。

3.根据权利要求2所述的一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，其特征在于，所述形状记忆合金为钛镍合金。

4.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，其特征在于，步骤1)中，所述形状记忆合金的马氏体转变开始温度≤0℃。

5.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，其特征在于，步骤1)中，所述形状记忆合金选自形状记忆合金薄膜或形状记忆合金丝材中的一种。

6.根据权利要求5所述的一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，其特征在于，所述形状记忆合金薄膜要进行时效处理，所述时效处理的条件为在300-400℃中温时效0.1-5小时。

7.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，其特征在于，步骤1)中，所述测试传感器固定在被测物体上，并施加预应力使其处于绷紧状态。

8.根据权利要求7所述的一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，其特征在于，所述预应力为0.1-3MPa。

9.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金应变传感器的应变值的测定方法，其特征在于，步骤1)中，所述参照传感器不固定在被测物体上，处于不受力状态。