微小电流间接热驱动Ni-Ti形状记忆合金片的研究*

卢莉蓉，王　利，牛晓东，石春花

(1. 长治医学院 生物医学工程系，山西 长治 046000； 2. 中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；3. 长治医学院 基础医学院，山西 长治 046000)



微小电流间接热驱动Ni-Ti形状记忆合金片的研究*

卢莉蓉1，王利2，牛晓东3，石春花1

(1. 长治医学院 生物医学工程系，山西 长治 046000； 2. 中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；3. 长治医学院 基础医学院，山西 长治 046000)

摘要:形状记忆合金片状驱动器具有电阻小，电流热驱动有效功率低，能源浪费大，驱动时间长等缺点，尤其是微小电流热驱动时，驱动器甚至不能动作. 为了克服这些缺点，通过传热学理论分析、 相关实验验证和计算机ANSYS仿真，提出了一种利用锂电池构造恒流源来提供毫安级微电流，驱动加热丝间接导热，快速驱动形状记忆合金片的方法. 结果表明，利用毫安级小电流可以间接使得片状驱动器在6 s左右动作，实现了微小电流控制驱动形状记忆合金片状驱动器.

关键词:微小电流； 热驱动； Ni-Ti形状记忆合金片

0引言

形状记忆合金(Shape memory alloy,简称SMA)指有形状记忆功能的金属材料. 形状记忆合金驱动器就是利用其受热恢复形状时对外产生的驱动力(恢复力)和位移做成的驱动器件. 电流热驱动可以通过电流来控制形状记忆合金驱动器的驱动特性，因此对于现实生产和生活具有更为深远的研究意义和价值. 由于形状记忆合金丝或弹簧电阻较大，电流驱动尤其是微小电流驱动简单可行[1-6]. 形状记忆合金片相比较丝状或弹簧状合金制作工艺简单，价格较低，同体积时驱动力最大(同等应力下其横截面积最大). 然而，由于其截面积大，电阻较小，故只能通过大电流驱动[7]，小电流，特别是微小电流，几乎不能够驱动. 所以到目前为止，仅对合金片进行应力分析[8-9]，或利用合金丝代替合金片实现样机分析[10]，因为合金片状驱动器主要用于非电流热驱动，例如火工加热[11]、 水浴加热[12-13]等驱动器的装置，或者利用其超弹性性能实现减震目的[14-16].

如何设计电流，尤其是微电流可控的形状记忆合金片状驱动器，是开拓其应用前景的难点. 利用漆包线缠绕加热合金片是一种不错的方法，但其热效率不是很好，能源浪费多[17]. 采用恒流源通电加热热功率较高的加热丝，再用加热丝传导热驱动形状记忆合金驱动器，既可通过微电流控制形状记忆合金片，也能输出很大驱动力，简单方便地实现角度驱动，提高合金片工作频率，这是丝状和弹簧状形状记忆合金驱动器所不能满足的. 将三种实验对比研究： ① 以纽扣锂电池作为电源输出电流并直接热驱动SMA片； ② 首先加热加热丝，然后传导热驱动SMA片； ③ 构成恒流源加热加热丝，然后传导热驱动SMA片. 本文以纽扣锂电池作为电源，利用集成电路LM317构成恒流源，加热加热丝后，传导热驱动SMA片，具有驱动电流小，驱动时间短，热转换功率高的特点，并利用传热学理论对实验进行分析，利用ANSYS软件仿真实验.

1实验设计

实验对象为形状记忆合金片，尺寸为长25.6 mm，宽2.5 mm，厚0.2 mm，电阻值为0.5 Ω，相变温度为67 ℃.

电源电池选择高电压的镍氢等电池串联，虽然能提供较大的电压，但其尺寸较大，使得电流驱动合金丝结构不易小型化； 锂电池具有高能量密度、 高电压、 输出电压平坦等特点，比干电池、 镍氢电池等驱动形状记忆合金丝效果明显，但其尺寸较大. 纽扣状的锂电池尺寸很小，电压又较高，电容量为210 mAh，完全可以驱动尺寸较小的形状记忆合金. 故采用CR2032纽扣锂电池作为驱动电源，室温为23 ℃.

实验分三组：

第一组，将四节纽扣锂电池直接串接记忆合金片，由于合金片阻值仅0.5 Ω，故锂电池等于短路放电. 虽然电流可达上百毫安，但放电过快，电流值急剧减小，故合金片形状没有变化.

为了克服第一组实验的缺点，将绝缘、 导热的矽胶布裹在记忆合金片上，矽胶布厚 0.2 mm，然后在矽胶布上缠12圈功率为20 W，耐温380 ℃的电烙铁发热丝，丝阻为77.3 Ω，丝径为0.02 mm，结构如图 1 所示，最后直接串接四节纽扣锂电池. 因为P=I2R，即阻值较大的加热丝比合金片有更高的电功率，所以给加热丝通电将比向合金片直接通电所导致的合金片温升快很多. 第二组试验虽然放电较第一组实验慢，但电流减小仍然较快，合金片形状几乎没有变化.

图 1　合金片加热结构示意图Fig.1　Heating structure of alloy table

为了克服前两组实验的缺点，第三组实验采用三端稳压集成电路LM317组建简单恒流源供电. 实验将万用表串联于电路中. LM317输出端out与adjust端输出电压恒为1.25 V，测量前调整滑动变阻器为16 Ω.

为了使测量准确，设计示波器时装置结构(见图 2)中1为自制感应电流装置，由连接在电路中的螺旋粗导线和缠有感应线圈的炭棒构成； 2与3为固定在木板上的金属棒； 4为缠绕加热丝的NiTi形状记忆合金片，表面涂有绝缘隔热漆，且被一铁夹子固定在金属棒3上. 通电前，将合金片弯曲至木板上所标弯曲角度处. 经多次训练后，使合金片变形恢复后刚好触碰金属棒2. 通电一开始，螺旋粗导线由于电磁感应在其内部产生电感，互感作用使得缠在炭棒上的感应线圈产生感应电流. 感应电流脉冲通过探头x1触发示波器，示波器开始计时. 同时电流开始加热加热丝，然后加热丝导热Ni-Ti形状记忆合金片，合金片开始恢复变形. 当变形恢复到虚线所示位置触碰到金属棒2时，合金片相变结束，并且示波器探头x2探测到电流信号，触发示波器，计时结束. 示波器两个信号之间时间差即为相变时间.

图 2　恒流源驱动合金片计时电路图Fig.2　Time circuit of alloy driving by constant current source

所测数据如表 1 所示.

表 1　毫安电流加热合金片实验数据

由实验数据可知，平均输出电流为59.5 mA. 平均恢复时间为10.47 s.

2理论分析

首先计算出相变时材料温度的线性分布，然后求出相变时三种材料所具有的热量. 利用功能转换原理得到电流加热时间.

假设三种材料的各热物理属性稳定. 因为三种材料尺寸很小，为了计算简单，设三种材料的温度仅在竖直方向有变化，同一水平线上温度都相同. 加热过程中三种材料温度如图 3 所示. 设合金相变时，加热丝尺寸很小，温度分布均匀为t1； 矽胶布上表面温度为t1，下表面温度为t2，温度分布呈线性； 形状记忆合金片上表面温度为t2，下表面温度为t3，温度分布呈线性. 加热丝热流密度

5.63×105W/m2,

式中：r为加热丝半径；ρ0为加热丝电阻率；R为加热丝电阻；δ2，δ3为矽胶布和合金片厚度；λ2为矽胶布导热率；λ3为合金片导热率[18].

图 3　相变时结构温度简图Fig.3　Simple structure about temperature when alloy’s phase change

如图 4，设形状记忆合金片在竖直方向x处的温度为T，则dx厚的合金形变时热量为

dΦ1=C1dm1ΔT1=C1ρ1ladx(T-23 ℃)=

同理，dx厚的矽胶布在合金片形变时热量

dΦ2=C2dm2ΔT2=

C2ρ2ladx(T-23 ℃)=

图 4　合金相变时温度梯度图Fig.4　Temperature gradient of alloy's phase change

加热丝的尺寸较小，近似认为其内部温度均匀. 合金形变时，其温度为 111 ℃，所具有热量为Ф3. 则根据能量守恒，忽略其对流换热和热辐射，可得

C3ρ3S3ΔT3,

旅游公路是一种基于公路文化的特殊旅游方式，在西方已流行多年，已经实现了全面覆盖。在中国，2010年旅游公路的理念才首次引入，其具有广阔的发展空间。彩色自行车道作为旅游公路的主要构成，因其材料选择、路面结构及施工工艺与传统沥青路面有着明显的不同，已成为旅游公路路面设计的重点和难点，越来越受到旅游公路建设单位和设计单位的重视。

式中各量如表 2 所示，a=2 mm； ΔT3=111 ℃-23 ℃=88 ℃. 代入数据可得t=11.9 s.

考虑到理论分析假设温度达到67 ℃时，合金片相变结束，而实验以合金片温度达到67 ℃后发生相变并且变形结束为结束计时点. 如图 5 所示，设计测试合金片变形时间电路图. 1为一个单向开关，合金片变形动作开始后，立即驱动开关1，将开关1闭合. 示波器探头x2探测到电流触发示波器，计时开始. 合金片变形结束，触碰金属棒2. 探头x1探测到电流，计时结束.

表 2　合金片动作时间数据

实际动作时间的平均值为0.86 s，则合金片达到67 ℃ 时所需时间应为10.47 s-0.86 s=9.61 s. 所以理论与实验相差为2.29 s，误差为19%.

图 5　合金片变形时间计时电路图Fig.5　Timing circuit of alloy's deformation time

3有限元仿真

3.1材料属性设置

选用平面热分析PLANE55[2]单元和SOLID70三维六面体单元进行有限元分析[19]. 材料属性如表 3 所示.

表 3　材料属性表

将电流产生的热能作为热生成体载荷施加到电热丝上，热功率P计算式为

其中，ρ0=1×10-6Ω·m为加热丝电阻率. 热生成载荷如表 4 所示.

表 4　热量体载荷表

0～30 s 内热生成载荷ANSYS将按表 4 两点所建直线自动插值，所以符合Q=Pt公式. 由于辐射热所占比例很小，所以忽略热辐射. 初始温度设为23 ℃.

3.2几何模型建立

根据合金片加热结构的对称性，取研究对象如图 6 所示，尺寸为： 加热丝： 半径0.01 mm； 合金片： 厚 0.1 mm，宽为合金片总长/(加热丝匝数+1)=25.6 mm/13=2 mm； 矽胶布： 厚0.2 mm，宽为矽胶布总长/(加热丝匝数+1)=25.6 mm/13=2 mm.

加热丝网格划分采用自由网格，矽胶布与合金片采用指定尺寸的网格划分，网格划分如图 6 所示. 采用瞬态分析类型，时间步长设为1 s，计算30步.

图 6　几何模型的建立、网格划分和研究节点的选取Fig.6　Geometrical modeling, meshing and research the node

3.3结果与误差分析

从图 7 可见，随着加热时间的延长，TEMP_2、 TEMP_3、 TEMP_4、 TEMP_5、 TEMP_6、 TEMP_7和TEMP_8七点温度都呈指数上升. 其中，TEMP_2，TEMP_3温度大小基本一致，上升很快，这是因为加热丝尺寸很小，其内部的温度相差也很小，所以可近似看做温度分布与空间没有关系，只随时间而变化[18]. TEMP_4，TEMP_5加热时间较短时，温度大小基本一致，随着时间的增加，两点的温差逐渐加大，但差值仍然很小. TEMP_6、 TEMP_7和TEMP_8三点温度相同.

从图中可见合金片内温差(TEMP_4和TEMP_8的温差)将随着时间的增加而递增，这主要是因为矽胶布与合金片的厚度相对加热丝的直径非常大，所以二者的导热热阻也非常大，加热丝的热量不能较快传热到合金片上. 图 8 是10 s时加热结构的温度分布云图，可见，等温面是以加热丝为圆心的数组同心圆，温度逐渐降低. 从图中可见t=10 s左右时，合金片最低温度达到67 ℃，此时整个合金片相变结束. 与实验相差0.39 s，误差为4%. 与理论相差1.9 s，误差为15%.

图 7　网格所绘节点的温度-时间图Fig.7　The figure of temperature and time

图 8　t=10 s时加热结构的温度分布云图Fig.8　Temperature distribution at t=10 s

误差原因有 ① ANSYS仿真中的误差. 三种材料的属性将会随温度的升高而发生变化，但模型建立中假设材料属性为恒值. ② 实验中的局限. 实验中三种材料并非完全接触，而且为了加热丝缠绕方便，矽胶布与合金片能够接合不松动，特在矽胶布外粘有一层双面胶，仿真中将此忽略. 在模型的建立中假设三种材料紧密接触，这也与实际有差别. 实验中，对形状记忆合金片训练后进行试验，每次试验需等待合金片自然冷却足够长时间，但实际冷却时间有限. ③ 理论分析的误差. 理论分析中，为了简便起见，假设温度变化仅在竖直方向，且三种材料热属性稳定.

4结论

相比较漆包线缠绕加热合金片实现驱动[17]，利用加热丝缠绕加热合金片热效率高，所需匝数少. 从云图8中可见，因为矽胶布与合金片二者的宽度是加热丝直径的100倍，故加热丝的热量不能迅速传热到整个区域，较费时，虽然涂有绝缘隔热漆，但还是有一定的热量空气通过对流与辐射而流失. 提高效率，减小加热时间，将减少这部分流失热量. 所以增加加热丝匝数，在加热电流不变的条件下，不仅使合金片形变恢复时间减小，还能提高热效率. 当增加匝数到24匝时，其对应电流大约59 mA，形变恢复时间均值由10.47 s提高到6.33 s. 然而，由于加热丝需传热，不能进行绝缘处理，否则影响其传热效率，所以加热丝不能密绕，故其匝数的增加有限.

实验中，恒流源电路虽简单，但输出电流稳定性较差. 若采用高级的恒流源电路，则其输出电流稳定性较好. 利用混合串并联纽扣锂电池，增加输入电压和输入电流，可以使其相变时间大幅度减小.

通过理论分析、 实验验证和计算机仿真微电流加热加热丝，传导热驱动形状记忆合金片发生动作. 证明了纽扣锂电池提供的毫安级小电流，可以使得发热丝短时间内温度升到很高，从而高效导热形状记忆合金动作，提高工作频率. 使单片机、 DSP等微控电路直接控制和驱动形状记忆合金具有可行性，而且整体结构的尺寸可以大范围的减小，为电流驱动形状记忆合金片状驱动器提供了广阔地应用前景. 克服了微电流不能驱动较大尺寸形状记忆合金片的局限. 同时也克服较大电流直接驱动合金片时，由于电阻很小，驱动电源放电近似短路，很容易造成电源烧毁甚至爆炸的危险.

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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

文章编号:1673-3193(2016)02-0187-06

*收稿日期:2015-09-28

基金项目：山西省高校科技研究开发项目基金(20091025)

作者简介：卢莉蓉 (1982-)，女，讲师，硕士，主要从事生物医学工程研究.

中图分类号:TG139+.6

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.017