从形状记忆合金元件的电阻特征确定热传递条件的方法

摘要

检测围绕形状记忆合金元件的周围环境热传递条件的方法包括加热形状记忆合金元件、检测形状记忆合金元件的电阻和测量用于加热形状记忆合金元件到电阻特征的预定水平的时间段。通过参考在用于加热形状记忆合金元件到电阻特征的预定水平的时间段和周围环境热传递条件之间的关系，计算围绕形状记忆合金元件的周围环境热传递条件。

说明书

技术领域

本发明通常涉及形状记忆合金元件，更特别的是涉及检测围绕形状记忆 合金元件的周围环境热传递条件的方法，和控制形状记忆合金元件的方法。

背景技术

形状记忆合金元件可以用于促动装置。控制器可以依赖于外部传感器， 其增加了装置的复杂性和成本，来提供涉及形状记忆合金元件的环境信息。 控制器依赖于环境信息以便正确的控制形状记忆合金元件。围绕形状记忆合 金元件的周围环境热传递条件，如周围环境温度、湿度水平、流体速度、热 传递系数或热传导率，可以影响形状记忆合金元件的加热。例如，在较低温 度下要求安全和有效促动形状记忆合金元件的功率量与在较高温度下要求 促动形状记忆合金元件的功率量相比是不同的。如果对于所有的周围环境温 度功率保持恒定，那么形状记忆合金元件将处于过热或部分促动的危险，使 装置变得不能正确执行。

发明内容

检测周围环境热传递条件的方法被提供。本方法包括加热形状记忆合金 元件，和检测形状记忆合金元件在一段时间段内的电阻。检测形状记忆合金 的电阻以确定在形状记忆合金元件内的电阻特征。本方法还包括测量用于加 热形状记忆合金元件到电阻特征的时间段，和从所测量的用于加热形状记忆 合金元件到电阻特征的时间段计算与形状记忆合金元件相邻的周围环境热 传递条件。

控制形状记忆合金元件的方法也被提供。本方法包括加热形状记忆合金 元件，并检测形状记忆合金元件在一段时间段内的电阻。检测形状记忆合金 元件的电阻以确定在形状记忆合金元件内的电阻特征。本方法还包括测量用 于加热形状记忆合金元件到电阻特征的时间段，从所测量的用于加热形状记 忆合金元件到电阻特征的时间段计算与形状记忆合金元件相邻的周围环境 热传递条件，和以所计算的与形状记忆合金元件相邻的周围环境的热传递条 件为基础调整形状记忆合金元件的促动。

因此，形状记忆合金元件的电阻被用于计算围绕形状记忆合金元件的周 围环境热传递条件，如周围环境温度，因此增加或消除了对于用于检测周围 环境热传递条件的外部传感器的需要。一旦周围环境的热传递条件被计算， 控制器可以调整形状记忆合金元件的促动，例如通过基于与形状记忆合金元 件相邻的周围环境的热传递条件来增加或降低输入到形状记忆合金元件的 功率。

当结合附图说明时，本发明上面的特征和优点及其它特征和优点从下面 用于执行本发明的最佳模式的详细描述中是很明显的。

附图说明

图1是表示控制形状记忆合金元件方法的流程图。

图2是表示形状记忆合金元件电阻和在时间上的电阻一阶导数的图。

图3是表示在用于加热形状记忆合金元件到电阻特征的时间对围绕形状 记忆合金元件的周围环境空气温度之间关系的表格。

具体实施方式

参考图1，控制形状记忆合金元件的方法通常显示为20。形状记忆合金 元件可以并入装置中，其包括并不局限于传感器装置或促动器装置。该装置 可以包括被设置为控制该装置(特别是形状记忆合金元件)的控制器。

控制器可以包括，但是不局限于，具有处理器的计算机、内存、软件、 传感器、电路和任何其它对控制装置和形状记忆合金元件所必须的组件。应 当理解的是此处所披露的方法可以作为由控制器或由模拟电路操作的算法 来体现。

形状记忆合金元件包括形状记忆合金。适合的形状记忆合金可以展示出 单向形状记忆效应、内在的双向效应、或外在的双向形状记忆效应，其依赖 于合金成分和加工过程。在形状记忆合金中产生的两相通常称为马氏体和奥 氏体相。马氏体相是形状记忆合金相对较软和容易变形的相，其一般在较低 温度下存在。奥氏体相，形状记忆合金的较强相，在较高温度下产生。由展 示单向形状记忆效应的形状记忆合金成分形成的形状记忆材料不自动矫正， 其依赖于形状记忆材料的设计，将有可能要求外部机械力去矫正之前显示的 形状取向。展示内在双向形状记忆效应的形状记忆材料是由形状记忆合金成 分制成，其依靠移去偏移的原因来自动矫正自身。

形状记忆合金记住其高温形态的温度，称为相变温度，可以通过在合金 成分和热处理上的轻微改变来调整。在镍钛基形状记忆合金中，例如其可以 从高于大约100°到低于-100°改变。形状恢复过程仅在几度的范围内发生， 相变的开始和结束可以控制在一到两度范围内，其依赖于期望的应用和合金 成分。形状记忆合金的机械特性在跨过其相变的温度范围时改变巨大，通常 给形状记忆材料提供形状记忆效应和高的阻尼容量。形状记忆合金固有的高 阻尼容量可以用于进一步增加能量吸收特性。

适合的形状记忆合金材料包括不局限于镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝 基合金、镍镓基合金、铜基合金(如铜锌合金、铜铝合金、铜金和铜锡合金)、 金镉基合金、银镉基合金、铟镉基合金、锰铜基合金、铁铂基合金、铁铂基 合金、铁钯基合金和类似的。合金可以是二元的、三元的或任何高阶的，只 要合金成分显示形状记忆效应，如在形状取向的改变、阻尼容量等。例如从 Shape Memory Applications的以NITINOL为商标的镍钛基合金是可以商业 上获得的。

控制器可以启动引起形状记忆合金在相之间转变的促动信号。由控制器 提供的促动信号可以包括，但不局限于，热量信号或者电信号，其带有依赖 于形状记忆合金的材料和/或结构和/或装置的特定促动信号。例如，控制器 可以引导电流通过形状记忆合金元件以加热形状记忆合金元件。

在更优的实施例中，电阻峰值是使用的电阻特征。参考图2，发现形状 记忆合金元件的电阻在相变开始处达到峰值。在图2中，形状记忆合金元件 的电阻10沿垂直轴线20所示，达到峰值电阻11的时间沿水平轴线22所示。 因此，当形状记忆合金元件被加热时，在相变开始处电阻10增加到峰值电 阻11，然后下降。参考图3，在用于加热形状记忆合金元件到电阻峰值的时 间和围绕形状记忆合金元件的周围环境温度之间的相互关系被发现。如图3 所示，例如，用于加热形状记忆合金元件到电阻峰值的时间段在垂直轴线24 上以秒显示，围绕形状记忆合金元件的周围环境温度在水平轴线26上以摄 氏度显示。同样的，围绕形状记忆合金元件的周围环境温度可以基于在用于 加热形状记忆合金元件到电阻峰值的时间段和围绕形状记忆合金元件的周 围环境温度之间的相互关系为，由用于加热形状记忆合金元件到电阻峰值的 时间段来计算。应当理解的是，在用于加热形状记忆合金元件到电阻峰值的 时间段和围绕形状记忆合金元件的周围环境温度之间的相互关系依赖于特 定装置和此处所使用的形状记忆合金元件。因此，图3仅仅是在到电阻峰值 的时间段和周围环境温度之间的实例关系。在到电阻峰值的时间之间的其它 关系可能是非线性的。

返回参考图1，控制形状记忆合金元件的方法包括输入能量到形状记忆 合金元件中以加热形状记忆合金元件，块22，和在启动加热形状记忆合金元 件的同时启动计时器，块24，在下面将进行更详细的描述。所输入的能量可 以是但不局限于电能的形式。作为算法的一部分，控制器可以启动电流通过 形状记忆合金元件以检测围绕形状记忆合金元件的周围环境热传递条件。热 传递条件可以包括，但不局限于，周围环境温度、热传递系数、湿度水平、 流体速度或热传导率。当电流传导通过形状记忆合金元件时，形状记忆合金 元件发热。更优的是，电流包括连续的和恒定的、预先确定的值。然而，控 制算法可被修正，以经过脉冲宽度调制或电压调整来解决电压波动。在脉冲 宽度调制的情况下，工作循环根据电压来调整以至于平均维持几乎恒定的电 流流过形状记忆合金元件。

本方法还包括检测在一段时间段上的形状记忆合金元件的电阻，块26。 控制器追踪所检测的电阻以确定在形状记忆合金元件中什么时间电阻达到 电阻特征的预定水平，块28。更优的是，在形状记忆合金元件中电阻特征的 预定水平刚好在相变之前发生。电阻特征的预定水平可以包括，但不局限于， 峰值电阻、在电阻上的拐点、电阻阈值跨越、或者预定值或其百分比。更优 的是，电阻特征的预定水平包括峰值电阻，其是在形状记忆合金元件的电阻 停止增加并开始降低的点。

检测形状记忆合金元件的电阻还可以包括同时测量通过形状记忆合金 元件的电流和跨过形状记忆合金元件的压降，以便计算电阻。电阻由在任何 时候瞬间所测量的跨越形状记忆合金元件的压降除以所测量的通过形状记 忆合金元件的电流来计算。

可替代的是，检测形状记忆合金元件的电阻特征可以包括检测在电阻上 的拐点和从最初加热形状记忆合金元件到拐点的时间。参考图2，拐点12 按导数13达到最大值处的点来定义。加热后，形状记忆合金元件的电阻10 的导数13将增加，之后是下降。导数13从增加向降低改变的点是电阻拐点 12。热传递条件可以类似的从方程或者从查阅表使用用于到达拐点的时间来 确定。

也可以预期的是，电阻特征可以通过将输入到形状记忆合金元件中的能 量积分，和测绘相对于能量输入的形状记忆合金元件的电阻来确定。这个方 法将要求测量输入到形状记忆合金元件中以加热形状记忆合金元件到电阻 特征的能量的量。以这种方式，在检测电流中的电压波动可以被忽略。

本方法还包括测量用于加热形状记忆合金元件到电阻特征的预定水平 的时间段。如上面所述，测量用于加热形状记忆合金元件到电阻特征的预定 水平的时间段可以包括启动计时器同时启动加热形状记忆合金元件以定义 开始时间，块24。因此，在控制器启动形状记忆合金元件的加热时开始时间 开始或者被初始化。该计时可以包括任何适合的计时器，包括但不局限于控 制器的内部时钟。当形状记忆合金元件的电阻达到电阻特征时，计时器停止 以定义停止时间，块30。用于加热形状记忆合金元件到电阻特征的预定水平 的时间段包括计算在停止时间和开始时间之间的差值，块32。因此，在停止 时间和开始时间之间的数值差等于用于加热形状记忆合金元件到电阻特征 的预定水平的时间段。

本方法还可以包括定义最大时间段，在这个时间段上去检测形状记忆合 金元件的电阻。如果控制器没有在最大时间段内识别出电阻特征的预定水 平，或者电阻特征的预定水平在最大时间段范围内没有获得，如34处所示， 那么本方法可以包括发出错误信号表示电阻特征的预定水平不能被确定，并 停止周围环境的热传递条件检测算法，块36。

本方法还包括从所测量的用于加热形状记忆合金元件到电阻特征的预 定水平的时间段来计算与形状记忆合金元件相邻的周围环境热传递条件，块 38。计算与形状记忆合金元件相邻的周围环境热传递条件可以包括解方程， 该方程使所测量的用于加热形状记忆合金元件到电阻特征的预定水平时间 段与形状记忆合金元件周围环境的热传递条件相关。例如，方程可以被展开 以解出在图3中所示的关系，由此到电阻特征的预定水平的时间段被输入到 方程中，方程的结果是围绕形状记忆合金元件的周围环境热传递条件。可替 代的是，计算与形状记忆合金元件相邻的周围环境热传递条件可以包括查找 表格，该表格使所测量的用于加热形状记忆合金元件到电阻特征的预定水平 时间段与形状记忆合金元件周围环境的热传递条件相关。参考表格，其使所 测量的用于加热形状记忆合金元件到电阻特征的预定水平时间段与周围环 境的热传递条件相关，可以包括在由表格所提供的值之间进行插值，以确定 用于热传递条件的值。应当理解的是，与形状记忆合金元件相邻的周围环境 热传递条件可以以到电阻特征的预定水平的时间段为基础以此处没有描述 的一些其它方式进行计算。此外，可以预期的是，所计算的周围环境热传递 条件可以通过来自一个或多个外部传感器的参考数据来校准和/或校验。

本方法还可以包括以所计算的与形状记忆合金元件相邻的周围环境热 传递条件为基础调整形状记忆合金元件的促动，块40。调整形状记忆合金元 件的促动可以包括调整用于形状记忆合金元件的促动电流，其可以包括但不 局限于调整形状记忆合金元件的工作循环或调整流过形状记忆合金元件的 电流水平。调整形状记忆合金元件的促动还可以包括调整跨形状记忆合金元 件的压降。例如，因为当与形状记忆合金元件相邻的周围环境温度下降时， 加热形状记忆合金元件的时间增加，当与形状记忆合金元件相邻的周围环境 温度增加时，加热形状记忆合金元件的时间下降，所以控制器可以调整促动 信号，即促动电流，以反映与形状记忆合金元件相邻的周围环境温度。通过 调整促动信号，控制器可以更有效的控制形状记忆合金元件，避免过度加热 形状记忆合金元件，或避免只有部分促动形状记忆合金元件。

本方法还可以包括使所计算的与形状记忆合金元件相邻的周围环境热 传递条件与在周围环境和形状记忆合金元件之间的热传递系数相关联。热传 递系数是在形状记忆合金元件和围绕形状记忆合金元件的周围环境之间的 热传递速率。形状记忆合金元件必须在相变循环之间冷却。周围环境温度， 更特别的是热传递系数，影响热量从形状记忆合金元件消退的速率。因此， 控制器可以以形状记忆合金元件可以冷却多快为基础调整控制信号，其依赖 于热传递系数。因此，以所计算的与形状记忆合金元件相邻的周围环境热传 递条件为基础，调整形状记忆合金元件的促动可以包括以在周围环境和形状 记忆合金元件之间的热传递系数为基础调整形状记忆合金元件的促动。

虽然用于执行本发明的最佳模式被详细描述，但是本发明技术领域人员 将识别用于实施本发明的各种可替代设计和实施例是在所附权利要求书的 范围内。