智能材料在力值計量系統中的創新應用

［關鍵詞］智能材料；力值計量；力傳感器；技術創新；系統集成

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

力值計量系統是現代工程技術和科學試驗中不可或缺的組成部分，它們廣泛應用于結構監測、工業自動化、醫療診斷及科研測量等領域。傳統的力值計量技術雖然取得了一定的成就，但在靈敏度、精度、尺寸及環境適應性方面仍存在限制。智能材料的出現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、機器學習等學科的研究熱點之一，可以根據外界條件做出相應的調整。這類材料在傳感器、執行器、醫療器械、能量系統等方面有著廣闊的應用前景。

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，當到達一定的溫度時，智能材料會恢復到過去的形狀。這一現象被稱作“形狀記憶”，其原因是在不同的溫度條件下，材料的晶體結構發生了相變。

智能材料包括以下幾種。①壓電介質：當有壓力時，壓電介質會產生電壓，即在外加電場的作用下，會產生變形。②磁致伸縮物質：在磁場中可使其大小發生變化。這一性質可被用來對位置和力進行精密控制的情況。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生變化，當電場消失后，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

智能材料的作用機理是通過改變其內部的微結構來實現的。比如，壓電材料是利用應力引起的電荷極化來實現的；磁致伸縮材料的長度依賴于磁區的重排；電致變形是指在電場作用下，由其內部結構發生重排而產生的形變。每一種智能材料的作用機理各不相同，但其共同之處是能夠實現一種輸入到另外一種輸出，這為力測量帶來了新的契機。

2智能材料在力值計量系統中的創新應用

2.1智能材料作為力傳感元素的優勢

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

2.2智能材料在力值計量中的設計原則

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

2.3智能材料與MEMS的結合

智能材料與MEMS 的交叉融合是材料科學、機械、電子、計算等學科交叉的前沿課題。在溫度、壓力、電磁場等刺激下，智能材料能夠實現自適應、自愈合等功能。MEMS 則是將傳感器、執行器、微處理器等多個功能部件結合在一起的微型機電系統，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、準確性和可靠性，提高其在生物醫藥、環境監測和航空航天等方面的應用。所以，將智能材料與 MEMS 相結合，會給技術創新與工業發展帶來新的機遇與空間。

3集成智能材料的力值計量系統設計

3.1系統集成策略

為了保證智能材料和測試系統的協調運行，必須采用系統一體化的方法：①針對特定的測試要求，選取合適的智能材料，并找出最優的工作區間。在此基礎上，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、傳輸等，并將它們集成到電路中。③在保證可維護性和經濟性的前提下，對整個系統進行優化，使其具有良好的可維護性和經濟性。

3.2智能材料的性能優化

對智能材料進行性能優化是提高其敏感性能的關鍵。實現這一目標的關鍵在于對智能材料的組分進行精準調控，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進行調控，使其適用于各種場合。另外，通過優化制備工藝，使其具有優異的綜合性能，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定性。最終實現在滿足特殊工況下的同時具備優異性能的智能型敏感材料。

3.3信號處理與數據解析

在智能材料傳感系統中，信號的處理與分析是獲取精確信息的關鍵。為了抑制噪聲和提高檢測信號的信噪比，必須設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噪聲消除技術。在數據分析上，本項目將針對智能材料傳感系統中所產生的信息進行處理，包括數字處理、模式識別、機器學習等技術，研發相應的軟件。這一步的主要目的是保證測量數據的準確性和可靠性。

3.4校準與溫度補償技術

研究一種高效的標定及溫度補償方法，以確保其在各種環境下均能獲得精確的測試結果。其中涉及一套完整的標定流程，用以測定在各種情況下的靈敏材料感測器的反應曲線。而溫度補償技術主要包括對溫度相關性的研究，并在此基礎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行自動調節，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。一種基于溫度補償的高精度靜力水準儀及其溫度補償方法與流程如圖2所示。

4技術挑戰與發展展望

4.1當前面臨的技術挑戰

（1）智能材料在長期反復荷載、苛刻工作條件下，其性能穩定性有待進一步提高。

（2）目前的加工工藝制約著具有復雜外形的智能感知器件的制備與規模化應用。

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，以提升其性能穩定性與相容性。同時，發展3D打印等新工藝，制備具有復雜外形與結構的敏感元件。在此基礎上，提出了一種新的基于多模態信息的新型智能材料體系，以提高其在復雜環境下的綜合性能。

4.3未來發展趨勢預測

隨著材料科學、MEMS 及信息技術的不斷進步，智能材料將呈現出更豐富的功能，以應對越來越復雜的測試環境。在此基礎上，將人工智能與機器學習相結合，可進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據分析與自標定能力。

5結束語

文章提出了一種基于智能材料的力學力測量方法，該方法具有響應快、自標定能力強等優點，為實現高精度檢測提供了可靠的技術支撐。該項目的實施將推動力測量技術的發展，并為其在智能材料領域的應用提供新思路。