微小電流間接熱驅(qū)動Ni-Ti形狀記憶合金片的研究*

盧莉蓉，王　利，牛曉東，石春花

(1. 長治醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長治 046000； 2. 中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051；3. 長治醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，山西 長治 046000)

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微小電流間接熱驅(qū)動Ni-Ti形狀記憶合金片的研究*

盧莉蓉1，王利2，牛曉東3，石春花1

(1. 長治醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長治 046000； 2. 中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051；3. 長治醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，山西 長治 046000)

摘要:形狀記憶合金片狀驅(qū)動器具有電阻小，電流熱驅(qū)動有效功率低，能源浪費大，驅(qū)動時間長等缺點，尤其是微小電流熱驅(qū)動時，驅(qū)動器甚至不能動作. 為了克服這些缺點，通過傳熱學(xué)理論分析、 相關(guān)實驗驗證和計算機ANSYS仿真，提出了一種利用鋰電池構(gòu)造恒流源來提供毫安級微電流，驅(qū)動加熱絲間接導(dǎo)熱，快速驅(qū)動形狀記憶合金片的方法. 結(jié)果表明，利用毫安級小電流可以間接使得片狀驅(qū)動器在6 s左右動作，實現(xiàn)了微小電流控制驅(qū)動形狀記憶合金片狀驅(qū)動器.

關(guān)鍵詞:微小電流； 熱驅(qū)動； Ni-Ti形狀記憶合金片

0引言

形狀記憶合金(Shape memory alloy,簡稱SMA)指有形狀記憶功能的金屬材料. 形狀記憶合金驅(qū)動器就是利用其受熱恢復(fù)形狀時對外產(chǎn)生的驅(qū)動力(恢復(fù)力)和位移做成的驅(qū)動器件. 電流熱驅(qū)動可以通過電流來控制形狀記憶合金驅(qū)動器的驅(qū)動特性，因此對于現(xiàn)實生產(chǎn)和生活具有更為深遠的研究意義和價值. 由于形狀記憶合金絲或彈簧電阻較大，電流驅(qū)動尤其是微小電流驅(qū)動簡單可行[1-6]. 形狀記憶合金片相比較絲狀或彈簧狀合金制作工藝簡單，價格較低，同體積時驅(qū)動力最大(同等應(yīng)力下其橫截面積最大). 然而，由于其截面積大，電阻較小，故只能通過大電流驅(qū)動[7]，小電流，特別是微小電流，幾乎不能夠驅(qū)動. 所以到目前為止，僅對合金片進行應(yīng)力分析[8-9]，或利用合金絲代替合金片實現(xiàn)樣機分析[10]，因為合金片狀驅(qū)動器主要用于非電流熱驅(qū)動，例如火工加熱[11]、 水浴加熱[12-13]等驅(qū)動器的裝置，或者利用其超彈性性能實現(xiàn)減震目的[14-16].

如何設(shè)計電流，尤其是微電流可控的形狀記憶合金片狀驅(qū)動器，是開拓其應(yīng)用前景的難點. 利用漆包線纏繞加熱合金片是一種不錯的方法，但其熱效率不是很好，能源浪費多[17]. 采用恒流源通電加熱熱功率較高的加熱絲，再用加熱絲傳導(dǎo)熱驅(qū)動形狀記憶合金驅(qū)動器，既可通過微電流控制形狀記憶合金片，也能輸出很大驅(qū)動力，簡單方便地實現(xiàn)角度驅(qū)動，提高合金片工作頻率，這是絲狀和彈簧狀形狀記憶合金驅(qū)動器所不能滿足的. 將三種實驗對比研究： ① 以紐扣鋰電池作為電源輸出電流并直接熱驅(qū)動SMA片； ② 首先加熱加熱絲，然后傳導(dǎo)熱驅(qū)動SMA片； ③ 構(gòu)成恒流源加熱加熱絲，然后傳導(dǎo)熱驅(qū)動SMA片. 本文以紐扣鋰電池作為電源，利用集成電路LM317構(gòu)成恒流源，加熱加熱絲后，傳導(dǎo)熱驅(qū)動SMA片，具有驅(qū)動電流小，驅(qū)動時間短，熱轉(zhuǎn)換功率高的特點，并利用傳熱學(xué)理論對實驗進行分析，利用ANSYS軟件仿真實驗.

1實驗設(shè)計

實驗對象為形狀記憶合金片，尺寸為長25.6 mm，寬2.5 mm，厚0.2 mm，電阻值為0.5 Ω，相變溫度為67 ℃.

電源電池選擇高電壓的鎳氫等電池串聯(lián)，雖然能提供較大的電壓，但其尺寸較大，使得電流驅(qū)動合金絲結(jié)構(gòu)不易小型化； 鋰電池具有高能量密度、 高電壓、 輸出電壓平坦等特點，比干電池、 鎳氫電池等驅(qū)動形狀記憶合金絲效果明顯，但其尺寸較大. 紐扣狀的鋰電池尺寸很小，電壓又較高，電容量為210 mAh，完全可以驅(qū)動尺寸較小的形狀記憶合金. 故采用CR2032紐扣鋰電池作為驅(qū)動電源，室溫為23 ℃.

實驗分三組：

第一組，將四節(jié)紐扣鋰電池直接串接記憶合金片，由于合金片阻值僅0.5 Ω，故鋰電池等于短路放電. 雖然電流可達上百毫安，但放電過快，電流值急劇減小，故合金片形狀沒有變化.

為了克服第一組實驗的缺點，將絕緣、 導(dǎo)熱的矽膠布裹在記憶合金片上，矽膠布厚 0.2 mm，然后在矽膠布上纏12圈功率為20 W，耐溫380 ℃的電烙鐵發(fā)熱絲，絲阻為77.3 Ω，絲徑為0.02 mm，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，最后直接串接四節(jié)紐扣鋰電池. 因為P=I2R，即阻值較大的加熱絲比合金片有更高的電功率，所以給加熱絲通電將比向合金片直接通電所導(dǎo)致的合金片溫升快很多. 第二組試驗雖然放電較第一組實驗慢，但電流減小仍然較快，合金片形狀幾乎沒有變化.

圖 1　合金片加熱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Heating structure of alloy table

為了克服前兩組實驗的缺點，第三組實驗采用三端穩(wěn)壓集成電路LM317組建簡單恒流源供電. 實驗將萬用表串聯(lián)于電路中. LM317輸出端out與adjust端輸出電壓恒為1.25 V，測量前調(diào)整滑動變阻器為16 Ω.

為了使測量準(zhǔn)確，設(shè)計示波器時裝置結(jié)構(gòu)(見圖 2)中1為自制感應(yīng)電流裝置，由連接在電路中的螺旋粗導(dǎo)線和纏有感應(yīng)線圈的炭棒構(gòu)成； 2與3為固定在木板上的金屬棒； 4為纏繞加熱絲的NiTi形狀記憶合金片，表面涂有絕緣隔熱漆，且被一鐵夾子固定在金屬棒3上. 通電前，將合金片彎曲至木板上所標(biāo)彎曲角度處. 經(jīng)多次訓(xùn)練后，使合金片變形恢復(fù)后剛好觸碰金屬棒2. 通電一開始，螺旋粗導(dǎo)線由于電磁感應(yīng)在其內(nèi)部產(chǎn)生電感，互感作用使得纏在炭棒上的感應(yīng)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流. 感應(yīng)電流脈沖通過探頭x1觸發(fā)示波器，示波器開始計時. 同時電流開始加熱加熱絲，然后加熱絲導(dǎo)熱Ni-Ti形狀記憶合金片，合金片開始恢復(fù)變形. 當(dāng)變形恢復(fù)到虛線所示位置觸碰到金屬棒2時，合金片相變結(jié)束，并且示波器探頭x2探測到電流信號，觸發(fā)示波器，計時結(jié)束. 示波器兩個信號之間時間差即為相變時間.

圖 2　恒流源驅(qū)動合金片計時電路圖Fig.2　Time circuit of alloy driving by constant current source

所測數(shù)據(jù)如表 1 所示.

表 1　毫安電流加熱合金片實驗數(shù)據(jù)

由實驗數(shù)據(jù)可知，平均輸出電流為59.5 mA. 平均恢復(fù)時間為10.47 s.

2理論分析

首先計算出相變時材料溫度的線性分布，然后求出相變時三種材料所具有的熱量. 利用功能轉(zhuǎn)換原理得到電流加熱時間.

假設(shè)三種材料的各熱物理屬性穩(wěn)定. 因為三種材料尺寸很小，為了計算簡單，設(shè)三種材料的溫度僅在豎直方向有變化，同一水平線上溫度都相同. 加熱過程中三種材料溫度如圖 3 所示. 設(shè)合金相變時，加熱絲尺寸很小，溫度分布均勻為t1； 矽膠布上表面溫度為t1，下表面溫度為t2，溫度分布呈線性； 形狀記憶合金片上表面溫度為t2，下表面溫度為t3，溫度分布呈線性. 加熱絲熱流密度

5.63×105W/m2,

式中：r為加熱絲半徑；ρ0為加熱絲電阻率；R為加熱絲電阻；δ2，δ3為矽膠布和合金片厚度；λ2為矽膠布導(dǎo)熱率；λ3為合金片導(dǎo)熱率[18].

圖 3　相變時結(jié)構(gòu)溫度簡圖Fig.3　Simple structure about temperature when alloy’s phase change

如圖 4，設(shè)形狀記憶合金片在豎直方向x處的溫度為T，則dx厚的合金形變時熱量為

dΦ1=C1dm1ΔT1=C1ρ1ladx(T-23 ℃)=

同理，dx厚的矽膠布在合金片形變時熱量

dΦ2=C2dm2ΔT2=

C2ρ2ladx(T-23 ℃)=

圖 4　合金相變時溫度梯度圖Fig.4　Temperature gradient of alloy's phase change

加熱絲的尺寸較小，近似認(rèn)為其內(nèi)部溫度均勻. 合金形變時，其溫度為 111 ℃，所具有熱量為Ф3. 則根據(jù)能量守恒，忽略其對流換熱和熱輻射，可得

C3ρ3S3ΔT3,

旅游公路是一種基于公路文化的特殊旅游方式，在西方已流行多年，已經(jīng)實現(xiàn)了全面覆蓋。在中國，2010年旅游公路的理念才首次引入，其具有廣闊的發(fā)展空間。彩色自行車道作為旅游公路的主要構(gòu)成，因其材料選擇、路面結(jié)構(gòu)及施工工藝與傳統(tǒng)瀝青路面有著明顯的不同，已成為旅游公路路面設(shè)計的重點和難點，越來越受到旅游公路建設(shè)單位和設(shè)計單位的重視。

式中各量如表 2 所示，a=2 mm； ΔT3=111 ℃-23 ℃=88 ℃. 代入數(shù)據(jù)可得t=11.9 s.

考慮到理論分析假設(shè)溫度達到67 ℃時，合金片相變結(jié)束，而實驗以合金片溫度達到67 ℃后發(fā)生相變并且變形結(jié)束為結(jié)束計時點. 如圖 5 所示，設(shè)計測試合金片變形時間電路圖. 1為一個單向開關(guān)，合金片變形動作開始后，立即驅(qū)動開關(guān)1，將開關(guān)1閉合. 示波器探頭x2探測到電流觸發(fā)示波器，計時開始. 合金片變形結(jié)束，觸碰金屬棒2. 探頭x1探測到電流，計時結(jié)束.

表 2　合金片動作時間數(shù)據(jù)

實際動作時間的平均值為0.86 s，則合金片達到67 ℃ 時所需時間應(yīng)為10.47 s-0.86 s=9.61 s. 所以理論與實驗相差為2.29 s，誤差為19%.

圖 5　合金片變形時間計時電路圖Fig.5　Timing circuit of alloy's deformation time

3有限元仿真

3.1材料屬性設(shè)置

選用平面熱分析PLANE55[2]單元和SOLID70三維六面體單元進行有限元分析[19]. 材料屬性如表 3 所示.

表 3　材料屬性表

將電流產(chǎn)生的熱能作為熱生成體載荷施加到電熱絲上，熱功率P計算式為

其中，ρ0=1×10-6Ω·m為加熱絲電阻率. 熱生成載荷如表 4 所示.

表 4　熱量體載荷表

0～30 s 內(nèi)熱生成載荷ANSYS將按表 4 兩點所建直線自動插值，所以符合Q=Pt公式. 由于輻射熱所占比例很小，所以忽略熱輻射. 初始溫度設(shè)為23 ℃.

3.2幾何模型建立

根據(jù)合金片加熱結(jié)構(gòu)的對稱性，取研究對象如圖 6 所示，尺寸為： 加熱絲： 半徑0.01 mm； 合金片： 厚 0.1 mm，寬為合金片總長/(加熱絲匝數(shù)+1)=25.6 mm/13=2 mm； 矽膠布： 厚0.2 mm，寬為矽膠布總長/(加熱絲匝數(shù)+1)=25.6 mm/13=2 mm.

加熱絲網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格，矽膠布與合金片采用指定尺寸的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分如圖 6 所示. 采用瞬態(tài)分析類型，時間步長設(shè)為1 s，計算30步.

圖 6　幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分和研究節(jié)點的選取Fig.6　Geometrical modeling, meshing and research the node

3.3結(jié)果與誤差分析

從圖 7 可見，隨著加熱時間的延長，TEMP_2、 TEMP_3、 TEMP_4、 TEMP_5、 TEMP_6、 TEMP_7和TEMP_8七點溫度都呈指數(shù)上升. 其中，TEMP_2，TEMP_3溫度大小基本一致，上升很快，這是因為加熱絲尺寸很小，其內(nèi)部的溫度相差也很小，所以可近似看做溫度分布與空間沒有關(guān)系，只隨時間而變化[18]. TEMP_4，TEMP_5加熱時間較短時，溫度大小基本一致，隨著時間的增加，兩點的溫差逐漸加大，但差值仍然很小. TEMP_6、 TEMP_7和TEMP_8三點溫度相同.

從圖中可見合金片內(nèi)溫差(TEMP_4和TEMP_8的溫差)將隨著時間的增加而遞增，這主要是因為矽膠布與合金片的厚度相對加熱絲的直徑非常大，所以二者的導(dǎo)熱熱阻也非常大，加熱絲的熱量不能較快傳熱到合金片上. 圖 8 是10 s時加熱結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖，可見，等溫面是以加熱絲為圓心的數(shù)組同心圓，溫度逐漸降低. 從圖中可見t=10 s左右時，合金片最低溫度達到67 ℃，此時整個合金片相變結(jié)束. 與實驗相差0.39 s，誤差為4%. 與理論相差1.9 s，誤差為15%.

圖 7　網(wǎng)格所繪節(jié)點的溫度-時間圖Fig.7　The figure of temperature and time

圖 8　t=10 s時加熱結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖Fig.8　Temperature distribution at t=10 s

誤差原因有 ① ANSYS仿真中的誤差. 三種材料的屬性將會隨溫度的升高而發(fā)生變化，但模型建立中假設(shè)材料屬性為恒值. ② 實驗中的局限. 實驗中三種材料并非完全接觸，而且為了加熱絲纏繞方便，矽膠布與合金片能夠接合不松動，特在矽膠布外粘有一層雙面膠，仿真中將此忽略. 在模型的建立中假設(shè)三種材料緊密接觸，這也與實際有差別. 實驗中，對形狀記憶合金片訓(xùn)練后進行試驗，每次試驗需等待合金片自然冷卻足夠長時間，但實際冷卻時間有限. ③ 理論分析的誤差. 理論分析中，為了簡便起見，假設(shè)溫度變化僅在豎直方向，且三種材料熱屬性穩(wěn)定.

4結(jié)論

相比較漆包線纏繞加熱合金片實現(xiàn)驅(qū)動[17]，利用加熱絲纏繞加熱合金片熱效率高，所需匝數(shù)少. 從云圖8中可見，因為矽膠布與合金片二者的寬度是加熱絲直徑的100倍，故加熱絲的熱量不能迅速傳熱到整個區(qū)域，較費時，雖然涂有絕緣隔熱漆，但還是有一定的熱量空氣通過對流與輻射而流失. 提高效率，減小加熱時間，將減少這部分流失熱量. 所以增加加熱絲匝數(shù)，在加熱電流不變的條件下，不僅使合金片形變恢復(fù)時間減小，還能提高熱效率. 當(dāng)增加匝數(shù)到24匝時，其對應(yīng)電流大約59 mA，形變恢復(fù)時間均值由10.47 s提高到6.33 s. 然而，由于加熱絲需傳熱，不能進行絕緣處理，否則影響其傳熱效率，所以加熱絲不能密繞，故其匝數(shù)的增加有限.

實驗中，恒流源電路雖簡單，但輸出電流穩(wěn)定性較差. 若采用高級的恒流源電路，則其輸出電流穩(wěn)定性較好. 利用混合串并聯(lián)紐扣鋰電池，增加輸入電壓和輸入電流，可以使其相變時間大幅度減小.

通過理論分析、 實驗驗證和計算機仿真微電流加熱加熱絲，傳導(dǎo)熱驅(qū)動形狀記憶合金片發(fā)生動作. 證明了紐扣鋰電池提供的毫安級小電流，可以使得發(fā)熱絲短時間內(nèi)溫度升到很高，從而高效導(dǎo)熱形狀記憶合金動作，提高工作頻率. 使單片機、 DSP等微控電路直接控制和驅(qū)動形狀記憶合金具有可行性，而且整體結(jié)構(gòu)的尺寸可以大范圍的減小，為電流驅(qū)動形狀記憶合金片狀驅(qū)動器提供了廣闊地應(yīng)用前景. 克服了微電流不能驅(qū)動較大尺寸形狀記憶合金片的局限. 同時也克服較大電流直接驅(qū)動合金片時，由于電阻很小，驅(qū)動電源放電近似短路，很容易造成電源燒毀甚至爆炸的危險.

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Study of Ni-Ti Shape Memory Alloy Thermally Driven Indirectly by Micro Current

LU Li-rong1, WANG Li2, NIU Xiao-dong3, SHI Chun-hua1

(1. Bio-Medical Engineering Department, Changzhi Medical College, Changzhi 046000, China;2. School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;3. Dept. of Physics, Changzhi Medical College, Changzhi 046000, China)

Abstract:The shape memory alloy tablet driver has the shortcomings of small resistance, effective power of current driving low, energy waste big, driving time long and little current driving difficulty, even impossible. In order to overcome those shortcomings, by the relevant experience and heat transfer theory analysis and ANSYS simulation, we propose a method of little current driving SMA indirectly and rapidly. The mill amperes current is provided by constant current source using of lithium battery constructing. The result illustrate that mill amperes current can drive the SMA tablet driver about 6 minutes indirectly, so the little current control SMA tablet driver is realized.

Key words:micro current; thermal driving; tablet of Ni-Ti shape memory alloy

文章編號:1673-3193(2016)02-0187-06

*收稿日期:2015-09-28

基金項目：山西省高?？萍佳芯块_發(fā)項目基金(20091025)

作者簡介：盧莉蓉 (1982-)，女，講師，碩士，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程研究.

中圖分類號:TG139+.6

文獻標(biāo)識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.017