CN113406148A

CN113406148A - 一种基于形状记忆合金的装置

Info

Publication number: CN113406148A
Application number: CN202110566518.1A
Authority: CN
Inventors: 金明江; 刘剑楠; 金学军
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Ninth Peoples Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Ninth Peoples Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2021-09-17
Anticipated expiration: 2041-05-24
Also published as: CN113406148B; WO2022246650A1

Abstract

本申请公开了一种基于形状记忆合金的装置，包括：第一丝和第二丝，所述第一丝和第二丝为形状记忆合金做成的丝状物；电源，与所述第一丝和所述第二丝电连接，用于向所述第一丝和所述第二丝施加不同大小的电流；探针，在所述第一丝和/或所述第二丝发生形变情况下，被所述第一丝和/或所述第二丝的形变带动发生位移，其中，所述探针被所述第一丝驱动的第一位移方向和所述探针被所述第二丝驱动的第一位移方向相反，所述第一丝和/或所述第二丝的形变由所述电流的通断产生。上述装置可用于实时进行模量探测，且适应于无测试样品、微小空间和微观尺度下的模量测量，装置精度高、能耗小且频率高，可持续提供待测物体的模量数据作为连续作业的判断依据。

Description

一种基于形状记忆合金的装置

技术领域

本申请涉及到合金材料技术领域，具体而言，涉及一种基于形状基于合金的装置。

背景技术

材料在小应变范围，均处于弹性变形阶段，此时应力和应变一般成正比例关系，其比例系数称为弹性模量。弹性模量通常被用来表示材料的软硬程度或变形难易程度，是非常关键的工程参量之一。一方面用来作为工程选材的重要标准，或者也可用来判断材料的属性。传统弹性模量的测试方法主要有三种：静态发、波传播法和动态法。具体的测试过程都需要进行精密的样品制备，并且遵循标准化的测量流程。

然而，在很多应用场景中，无法做到标准的模量测试流程，常需要对目标材料的模量进行即时的分辨和数据反馈，最短时间内分辨对象材料的软硬程度，从而提高工作效率。另外，很多受测对象材料，比如生物组织，不管是几何尺寸或受限于加工性能，往往难以提供标准化的测试样品。此外，有些应用需要在特殊的场景下测定物体的模量，比如微小空间，或者物体微观尺度下的局部模量数据，以此作为连续作业过程中的判断依据。但是此类弹性模量的测试目前几乎难以实现，更不用说进行即时测量和数据反馈。目前也没有现成的设备可以满足此类需求。

发明内容

本申请实施例提供了一种基于形状记忆合金的装置，以至少解决物体模量测试困难的问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种基于形状记忆合金的装置，包括：

第一丝和第二丝，所述第一丝和第二丝为形状记忆合金做成的丝状物；

电源，与所述第一丝和所述第二丝电连接，用于向所述第一丝和所述第二丝施加不同大小的电流；

探针，在所述第一丝和/或所述第二丝发生形变情况下，被所述第一丝和/或所述第二丝的形变带动发生位移，其中，所述探针被所述第一丝驱动的第一位移方向和所述探针被所述第二丝驱动的第一位移方向相反，所述第一丝和/或所述第二丝的形变由所述电流的通断产生。

进一步的，在本发明的装置中，还包括：

驱动部，与所述探针、所述第一丝和所述第二丝连接，所述驱动部的一端安装有所述探针，所述驱动部被所述第一丝和/或所述第二丝的形变带动发生位移，所述位移的方向为所述探针的长度方向。

进一步的，在本发明的装置中，所述驱动部包括：在所述位移方向上的滑轨；设置在所述滑轨中的推杆，其中，所述推杆能够延滑轨方向滑动，所述推杆的第一端安装有所述探针。

进一步的，在本发明的装置中，所述第一丝的第一端连接在所述推杆的第一端，所述第一丝的第二端连接在所述滑轨上；

所述第二丝的第一端连接在所述推杆的第二端，所述第二丝的第二端连接在所述滑轨上。

进一步的，在本发明的装置中，所述第一丝的两端以推杆的轴向为对称地连接在所述滑轨的第一端，且所述第一丝的中段固定在所述滑轨的第一端侧的推杆上；

所述第二丝的两端以推杆的轴向为对称地连接在所述滑轨的第二端，且所述第二丝的中段固定在所述滑轨的第二端侧的推杆上。

进一步的，在本发明的装置中，所述第一丝为至少两条，和/或，所述第二丝为至少两条。

进一步的，在本发明的装置中，所述探针包括以下条件中的至少之一：

所述探针的长度为0.5至5mm、所述探针的直径为0.05至0.6mm、所述探针的测试面积≥100μm²、所述探针的模量≥200GPa、所述探针的探测行程为5～2000μm。

进一步的，在本发明的装置中，所述形状记忆合金为镍钛基形状记忆合金，和/或，所述电源为脉冲电，脉冲频率为0.30至50赫兹。

进一步的，在本发明的装置中，还包括：

软件，用于设定探测行程以及获取电流峰值，其中，所述电流峰值为所述第一丝和/或所述第二丝被通电加热后带动所述探针伸出达到所述探测行程时确定外接电源的电流值，所述电流峰值和所述探测行程用于计算待测试物体的模量。

进一步的，在本发明的装置中，所述软件还用于控制所述电源对所述第一丝和/或所述第二丝进行通电，以控制所述探针伸出或者缩回。

有益效果

在本申请实施例中，采用了利用2组对称的SMA微丝作为驱动丝材形成双丝对拉模式，通过外接电源对双丝通以不同的电流，在双丝上形成不同的温度，从而形成双丝的不同形变量，最终实现探针在双丝驱动下的运动。

将上述装置用于模量测试，可以根据双丝的电流差值直接反映被测物体的弹性模量，在一定范围内，通过大规模的测试训练和数据拟合，可以将电流差值与模量的相关性参数不断精确化，测试精度达到85％以上，能够做到即时检测，工作效率高。

本发明提供的一种基于形状记忆合金的装置，在精密测量电子器件、医疗机器人等领域获得广泛推广，具有非常广阔的应用前景。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例结构示意图；

图2是对抗式双丝结构驱动模型实验平台的结构示意图；

图3是对抗式结构驱动模型和传统定载荷单丝电驱动模型的“应变-电阻”滞后参数的对比及结果示意图；

图中，各附图标记的含义如下：

第一电源1、探针2、第一丝3、滑轨4、推杆5、第二丝6、外壳7、第二电源8、对抗式双丝结构驱动模型实验平台9、数据采集装置9-1、控制器9-2、位移传感器9-3、千分尺9-4、负荷传感器9-5、加热冷却装置9-6、电源9-7。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

现有技术中，物体的模量测试存在诸多问题，包括：

1、无法对物体进行即使的分辨和数据反馈，工作效率低；

2、部分受测对象无法提供标准化的测试样品，现有的模量测试装置无法工作；

3、微小空间下或微观尺度下的局部模量的连续测试作业，现有的模量测试装置无法完成。

基于上述诸多问题，本发明的实施例提供一种基于形状记忆合金的装置，其发明构思如下：

为了适应对待测物体的实时探测以及在微小空间、微观尺度下的模量测试要求，利用驱动装置对具有极其微小的测试面积的探针进行驱动从而实现对待测物品的探测；

为了获得模量数据，利用探针阻力、探针驱动力和探针束缚力之间的力的平衡关系推导出模量与其他物理参数之间的关联，将模量的测试转为为其他易获得的物理量的测试；

由于形状记忆合金丝在微小空间内具有广泛应用，且其应用过程中有良好的电流-力的线性关系，因此，考虑利用形状记忆合金丝作为上述驱动探针的主要部件，并由此将模量的测试转为易获得的电学量的测试。

基于上述发明构思，提出本发明的如下实施例。

如图1所示的一种基于形状记忆合金的装置，包括：

第一丝，所述第一丝为形状记忆合金做成的丝状物。

第二丝，所述第二丝为形状记忆合金做成的丝状物。

探针，在所述第一丝和/或所述第二丝发生形变情况下，被所述第一丝和/或所述第二丝的形变带动发生位移，其中，所述探针被所述第一丝驱动的第一位移方向和所述探针被所述第二丝驱动的第一位移方向相反。

上述探针的运动还需要依托于一驱动部，该驱动部与所述探针、所述第一丝和所述第二丝连接，所述驱动部的一端安装有所述探针，所述驱动部被所述第一丝和/或所述第二丝的形变带动发生位移，所述位移的方向为所述探针的长度方向。

上述第一丝和第二丝在探针运动方向上对称布置，第一丝和第二丝共同作用于探针上，一个用于提供探针驱动力、另一个用于提供探针束缚力，探针在上述探针驱动力和探针束缚力的综合作用下实现位移。由于探针需实现往复运动，因此，在探针处于不同的运动状态时双丝结构上的力不同。

双丝结构上的力来源于形状记忆合金丝的通电发热形变，因此所述第一丝和/或所述第二丝的形变由所述电流的通断产生。故本装置中还设置有电源，上述电源与所述第一丝和所述第二丝电连接，用于向所述第一丝和所述第二丝施加不同大小的电流。电流大的记忆合金丝发生收缩形变较大，电流小的记忆合金丝发生收缩形变较小，因此，上述形变的差异带动探针发生位移。

本发明的实施例对电源的数量不做具体限制。上述电源可以是一个，但具有对第一丝和第二丝施加不同大小电流的功能；上述电源可以是两个，分别对第一丝和第二丝施加不同大小的电流；上述电源还可以是两个以上，以组合的方式向第一丝和第二丝施加不同大小的电流。

对于SMA丝材，通常可以通过电阻来测定应变，即电阻-应变存在近线性关系。但由于SMA丝材的可恢复(驱动)应变来源于一级相变循环过程，而一级相变是存在滞后的；这就导致通电(加热)和断电(冷却)过程，存在“电阻-应变”关系不一致现象，影响控制精度(实际应用过程中，额外判定丝材处于加热或冷却过程带来更多麻烦)。但是对抗双丝结构下，可以很大程度的消除相变滞后带来的差异。如图2所示，为对抗式双丝结构驱动模型实验平台的结构示意图，以直径25微米的形状记忆合金驱动微丝作为研究对象，对比对抗式结构驱动模型和传统定载荷单丝电驱动模型的“应变-电阻”滞后参数，结果见图3。

对抗式双丝结构驱动模型的非线性部分得以对消，系统的线性度高，控制精度高。并且在双丝对拉模式下，不必等到降温至马氏体相变温度以下，而只需通过两组丝材的温度差异带来的力值差异即可实现驱动或回复，因此节约能量，同时使得SMA驱动系统滞后问题得以解决，从而实现高频率的线性驱动，提高了工作效率。如图3所示，结果表明，滞后参数降低接近80％，体现了对抗式双丝结构驱动模型的先进性。

更为具体的，在本发明的实施例中，提供一外壳，所述外壳具有一内部的容纳空间，且所述外壳具有至少一个开口用于提供探针的进出，从而实现探针对外壳开口处的待测物体的探测。如图所示，本实施例中开口设置在外壳的上方。

进一步的，所述外壳的内部容纳空间中设置如下由优选的驱动部形式：

滑轨，固定在外壳的内腔中，其提供探针位移方向上的导向。

推杆，所述推杆的第一端安装有所述探针，所述推杆与所述滑轨适配，因此所述推杆能够延滑轨方向滑动，在滑轨的导向下，推动探针从外壳的开口进出。

更为具体的，上述双丝结构与驱动部之间具有多种可能的布置方式，本发明的具体实施例提供至少以下两种布置方式，本发明不对其余布置方式做出限制，本领域技术人员可在上述原理的基础上拓展更多的布置方式。

方式一、

所述第一丝的第一端连接在所述推杆的第一端，所述第一丝的第二端连接在所述滑轨上；所述第二丝的第一端连接在所述推杆的第二端，所述第二丝的第二端连接在所述滑轨上。

该种方式下，第一丝和第二丝均以直线形式布置，方向优选与探针的位移方向平行。

方式二、

所述第一丝的两端以推杆的轴向为对称地连接在所述滑轨的第一端，且所述第一丝的中段固定在所述滑轨的第一端侧的推杆上；所述第二丝的两端以推杆的轴向为对称地连接在所述滑轨的第二端，且所述第二丝的中段固定在所述滑轨的第二端侧的推杆上。如图所示，第一丝的中段绕过并紧密贴合在所在侧的推杆端面，类似的，第一丝的中段还能以缠绕、固定等方式连接在所在侧的推杆上。第二丝的中段与所在侧的推杆的连接方式类似，在此不做赘述。

该种方式下，第一丝和第二丝均以非直线形式布置，每根丝的两端均位于滑轨上，相比于方式一，能够更加便利地进行电源连接。

作为本发明的优选实施例，为了确保系统的可靠性，所述第一丝和/或所示第二丝为至少两条，两两第一丝为并联形式，两两第二丝也为并联形式。

除了上述结构的要求，为了获得良好的测试效果，本发明的实施例对形状记忆合金丝、探针以及电源的选用也具有如下优选方式。

对于形状记忆合金丝，所用的形状记忆合金优选为镍钛基形状记忆合金。

对于探针，其长度及直径可调，具体的，所述探针的长度为0.5至5mm、所述探针的直径为0.05至0.6mm。所述探针的测试面积≥100μm²。所述探针的模量≥200GPa、所述探针的探测行程为5～2000μm。所述探针的探测行程可以用于测定物体的模量，行程越长，被测物体模量越低。

对于电源，所述电源为脉冲电，脉冲频率为0.30至50赫兹。

上述装置的工作还需要配合软件实现，因此，本发明的具体实施例还提供一种软件，用于设定探测行程(或电阻)以及获取电流峰值，其中，所述电流峰值为所述第一丝和/或所述第二丝被通电加热后带动所述探针伸出达到所述探测行程时确定外接电源的电流值，所述电流峰值和所述探测行程用于计算待测试物体的模量。

所述软件用于根据如下公式计算所述待测物体的模量，

其中：

E为待测物体的模量，单位为KPa,MPa或GPa；k为驱动伸缩件的电流与输出力值的关系常数，单位为N/mA；I₁为探针伸出时的第一电流值，单位为mA；I₂为探针伸出时的第二电流值，单位为mA；k'为待测物体在探针压力下的变形常数，单位为μm²。

进一步的，所述软件还用于控制所述电源对所述第一丝和/或所述第二丝进行通电，以控制所述探针伸出或者缩回。当对第一丝通电大于第二丝时，探针在图中向下运动即向退回外壳方向运动，当对第一丝通电小于第二丝时，探针在图中向上运动即向外壳的外部运动。

上述软件中的探针行程可以通过电阻值来反映；即SMA丝材的应变与电阻成正比，通过电阻可以监控SMA丝材的应变，并通过几何结构计算探针的行程。

本发明的装置，使用的测试探头体积非常小，被测面积可以达到10μm*10μm，整个测试探头可以做到毫米级以内，能够在难以获得标准化测试样品的情况下和/或微小空间内、微观尺度下完成模量测试。

本发明的装置，由于使用了对称的双丝驱动，因此驱动系统的非线性部分得以对消，系统的线性度高，控制精度高。并且在双丝对拉模式下，不必等到降温至马氏体相变温度以下，而只需通过两组丝材的温度差异带来的力值差异即可实现驱动或回复，因此一方面节约能量，另一方面使得SMA驱动系统降温速度不足导致工作频率低的问题得以解决，从而实现高频率的线性驱动，提高了工作效率，可持续提供待测物体的模量数据作为连续作业的判断依据。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在另一个实施例中，提供一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行以上实施例中软件方法。

这些计算机程序也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤，对应与不同的步骤可以通过不同的模块来实现。

上述程序可以运行在处理器中，或者也可以存储在存储器中(或称为计算机可读介质)，计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

基于上述结构和软件，本发明的实施例提供如下动态模量监测与反馈方法，包括以下步骤：

1)将探针对待测物体进行测试，通过外接电源对第一丝和第二丝进行通电加热，且第一丝的电流小于第二丝的电流，使推杆带动探针伸出达到设定探测行程时确定外接电源的电流峰值；

2)根据步骤1)电流峰值及设定的探测行程，按公式(1)计算待测物体的模量，所述公式(1)为：

式中，E为待测物体的模量，单位为GPa；k为驱动伸缩件的电流与输出力值的关系常数，单位为N/mA；I₁为探针伸出达到设定探测行程时的第一电流值，单位为mA；I₂为探针伸出达到设定探测行程时的第二电流值，单位为mA；k'为待测物体在探针压力下的变形常数，单位为μm²；

调整外接电源对第一丝和第二丝的电流，使得第一丝上的电流大于第二丝上的电流，从而使推杆带动探针回伸，使探针恢复原状。

优选地，步骤2)中，所述公式(1)根据公式(2)推导获得，

所述公式(2)为：Δf＝F₁-F₂，

式中，Δf为探针阻力，N；F₁为探针驱动力，N；F₂为探针束缚力，N。所述公式(2)用于表达探针在第二丝提供的探针驱动力向外推动过程中受到第一丝提供的探针束缚力和被测物体弹性力两个阻力。

上述Δf＝k′E。Δf与被检测物体的模量有关，接近线性。

上述F₁＝kI₁。F在一定范围内与驱动电流I₁呈近线性关系。

上述F₂＝kI₂。F在一定范围内与驱动电流I₂呈近线性关系。

注：F₁～I₁，F₂～I₂均为近线性关系，但是线性度不是很理想；通过双丝构架和算法优化，非线性部分一定程度相互抵消，使得它们的差值接近线性。

所述公式(1)中，k'的数值可以通过模拟测试中采点数据来进行拟合确定。所述k'是一个曲面面积，通过一定的积分方式拟合获得，具体可使用一些已知模量的物体进行标定，比如木头、各种模量的树脂、生物组织等，获得的数据可以进行仿真拟合，建立模量和k’之间的关系。

可见，本发明提出的基于形状记忆合金的装置，通过被称为“材料即器件”的形状记忆合金，充分利用SMA微丝的智能驱动和检测特性，将位移传感和驱动融为一体，以此为基础，开发出了这一微型化、结构简洁、可即时测量技术和装备。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。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种基于形状记忆合金的装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述驱动部包括：在所述位移方向上的滑轨；设置在所述滑轨中的推杆，其中，所述推杆能够延滑轨方向滑动，所述推杆的第一端安装有所述探针。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述第一丝的第一端连接在所述推杆的第一端，所述第一丝的第二端连接在所述滑轨上；

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述第一丝的两端以推杆的轴向为对称地连接在所述滑轨的第一端，且所述第一丝的中段固定在所述滑轨的第一端侧的推杆上；

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，

所述第一丝为至少两条，和/或，所述第二丝为至少两条。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述探针包括以下条件中的至少之一：

8.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述形状记忆合金为镍钛基形状记忆合金，和/或，所述电源为脉冲电，脉冲频率为0.30至50赫兹。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述软件还用于控制所述电源对所述第一丝和/或所述第二丝进行通电，以控制所述探针伸出或者缩回。