CN103306923A - 具有可感测涂层的形状记忆合金致动器 - Google Patents

Abstract

公开了将具有至少一个空间变化特性的可感测涂层涂覆到形状记忆合金致动器的方法，特别是包括线性元件的致动器，例如线、带或缆线。这种涂层允许线性形状记忆合金元件的位置使用磁性、电容和光学传感器感测，从而与控制器结合允许在比例控制下操作这种致动器。

Description

具有可感测涂层的形状记忆合金致动器

技术领域

本发明涉及形状记忆合金致动器，具体地具有涂层的线性致动器，例如线、带或缆线，所述涂层可以带图案或者展现可变属性，所述可变属性在感测或检测时允许评估致动器的操作状态。

背景技术

形状记忆合金（SMA）是可经受几乎可逆形状变化的一类金属合金，从而其可以重复地在通常几十万个循环内在两个形状之间变化，而不失效。该性能的基础是这些合金呈现两个晶体形式的能力，较高温度相对强和刚硬的形式（称为奥氏体）和较低温度稍微更弱和更柔顺的形式（称为马氏体）。从一个相转变为另一个引起应变，通常小于大约8％左右，其显现为从一个相转变为另一个时形状记忆合金样本的长度变化。

形状记忆已经在多种合金中观察到，包括Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、Ti-Nb、Au-Cu-Zn、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Ag-Cd Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、Ni-Al、Fe-Pt、Ti-Pd-Ni、Fe-Mn-Si、Au-Zd和Cu-Zn，但是这些合金中的仅仅若干合金可商业获得。Nitinol（镍钛诺），镍和钛以基本等原子比例的合金，受到最广泛的使用。在大多数商业SMA合金中，从一个晶体结构转变至另一个在可能从大约-100^oC至+100^oC的范围内的温度下发生。

在SMA装置中，形状变化通过足以引起转变的温度变化实现。通常，通过使得受控电流通过SMA引起的焦耳加热促进温度变化。在该温度驱动的形状变化期间，SMA可产生显著的力，且SMA（通常为线性元件的形式，例如线和类似几何形状，如带、缆线、编织物和链）可以用作各种类型的致动器中的活性元件。作为可以产生的力的示例，单个Nitinol线（直径0.008英寸）可以产生超过1磅的力。更大直径的线或线束可产生与SMA截面面积成比例的更大力。

从一个晶体结构转变至另一个在由转变“开始”温度和转变“完成”温度界定的通常小于20^oC的温度范围内发生。转变（马氏体-奥氏体或者奥氏体-马氏体）的性质由得到的相指定。因而，术语“奥氏体开始温度”，通常简写为As，将表示马氏体转变为奥氏体。当SMA处于转变范围内时，例如在As和奥氏体完成温度Af之间的温度范围内，其属性可以由各个相的属性的体积加权平均来近似。因而，转变促进从转变相的属性至被转变相的属性的大致连续和平滑变化过渡。

SMA驱动的致动器主要以开关模式使用。通常，SMA线或者类似几何形状张力产生装置，例如由与线串联的弹簧或类似结构偏压，保持在其马氏体晶体结构且通过弹簧变形至一些合适预定长度。该配置可以无限制地保持，只要线温度保持低于奥氏体是稳定相的温度即可。如果线温度增加高于奥氏体是稳定相的温度Af，例如通过使得电流通过线，那么线将收缩。通过适当选择偏压弹簧，由线施加的力将克服由偏压弹簧施加的力且收缩。通过适当地紧固线的一端且将另一端附连到例如柱塞，柱塞可缩回。当电流的通过终止时，线将冷却至仅仅马氏体稳定的温度，且转变为马氏体的线将通过偏压弹簧变形且伸长至其初始长度。该过程循环可重复几十万个循环，且通常开环执行，没有反馈来确认致动器的操作。该开环开关操作模式限制这种SMA驱动的致动器在更常见机械、电气或机电致动器上的应用数量，允许累进致动且因而允许在比例控制下的操作。

发明内容

本发明涉及使用用作致动器的大致线性元件，通常以线、窄带、缆线、编织物等的形式。在本发明的实施例中，线性元件由合适形状记忆金属合金形成。其可以在机构中使用，该机构的主体或构件由线性元件移动。例如，NiTi线一端锚定且另一端附连到要移动的构件。在本发明的许多实施例中，NiTi线被加热，从而其开始经受相变。当相变开始时，使得线改变其长度（或者可能偏转），其作用于附连的构件，从而该构件开始移动。与形状记忆合金线的作用细节无关，通常需要准确地感测线的移动，以便控制其致动功能。

根据本发明的实践，形状记忆合金致动器的表面用磁性材料或者其它合适可感测材料膜涂层，且互补传感器位于致动器的长度的一部分附近以感测来自于涂层材料的信号。可感测涂层材料被选择和涂覆，使得例如其成分和图案允许适当放置的传感器和相关控制器识别致动器和被移动主体的移动和位置。来自于传感器的通信信号于是由控制器使用，以管理或控制形状记忆合金致动器的动作。例如，来自于位置传感器的信号发送给合适控制器或控制***（例如，计算机***），以管理形状记忆合金致动器构件在执行其功能时的加热（或其它致动手段）。在其致动功能之后合适时间，形状记忆合金致动器可以恢复至其初始形状，为在其工作的机构中重复使用做好准备。

具体地，本发明涉及铺装具有指定特性的薄膜成分的方法，其可以用于确定线的相对或绝对位置。传感器可以用于轮询膜。薄膜成分可以以空间变化图案或空间变化厚度或空间变化成分铺装。厚度、图案或成分的任何空间变化可以被编码以便以数字或模拟方式传送关于线位置的绝对或相对信息。适当地，薄膜可以被选择以响应于磁性传感器、电容或电阻传感器、和光学传感器。任何光学传感器可以响应于具有从大约100纳米至大约100微米范围内的波长的可见、紫外和红外辐射。

膜可以起到两个目的。第一，将确认致动器操作；第二，致动器可以在控制器的指导下操作，从而致动器可以在比例控制而不是“开关”控制下操作。

在第一实施例中，形状变化记忆合金（SMA）可以用任何铁磁材料涂层，全部覆盖表面或者涂覆到表面的选定区域。涂层可以是连续或不连续的，且可以在厚度或成分方面变化。合适铁磁材料可以是包括Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Eu、Dy和Gd的金属（除了其它之外）；一种或多种金属元素的金属氧化物、硫化物、磷酸盐、亚膦酸盐和硼化物或其它这种化合物。材料可以在涂覆后磁化，或者允许保持其非磁性定向状态。此外，图案、磁化率梯度或磁场强度、磁性材料的厚度变化、或者成分变化，也可以用于感测位置。

在第二实施例中，形状变化记忆合金（SMA）可以用任何介电材料涂覆，全部覆盖表面或者涂覆到表面的选定区域。如第一实施例那样，涂层可以是连续或不连续的，且可以在厚度或成分方面变化。

在第三实施例中，形状记忆合金（SMA）可以用比SMA线反射性更大或更小的材料或者发荧光的涂层或者发冷光的涂层来涂层。如前两个实施例那样，涂层可以是连续或不连续的，且可以在厚度或成分方面变化。这种涂层材料的反射属性可以在整个电磁频谱内应用，包括频谱的可见、紫外和特定地红外区域。如上所述，相对于未涂层线反射性的减小，可通过吸收电磁辐射或者分散所述辐射引起，也可以有效地区分线的涂层和未涂层区域。光学敏感材料可涂覆到表面或者其可以与其它元素（例如，在这种转变涂层形成的过程期间形成的）结合生长为氧化物涂层或氧化物。

上述涂层展现了能由特定传感器感测的特性属性，但是将理解的是，许多涂层可以展现多种特性，从而允许使用多个传感器。例如，镍涂层可局部地改变磁性和光学反射属性。该多传感器性能可通过沉积多层涂层来实施。这种多层涂层还可以用于允许附加位置编码。例如，金在红外中是高反射性的。因而，如果线用铁磁薄膜（比如铁）选择性地涂层，且金涂层以不同图案涂覆，那么磁性传感器和光学传感器的输入可以组合以更好地定位线位置。这种光学传感器可响应于可见、紫外或红外辐射中的任一种或全部。

商业SMA合金可用于从大约-25^oC至大约120^oC的奥氏体完成温度。但是在许多应用中，选择在大约25^oC左右的环境温度下保持其低强度马氏体状态的致动器SMA线成分。当加热高于至少其奥氏体开始温度时，线将至少部分转变和收缩。在大多数致动器中，线的一端永久性地紧固到支撑件，而另一端连接到装置。这种装置可经受旋转或线性运动。这种线性运动装置的示例包括柱塞、车辆气坝或车辆空气偏转器。在这种线性装置中，线性SMA致动器设置成一端紧固到支撑件且另一端附连到该装置，线的任何收缩将直接作用于装置上且用于移动和重新定位该装置。通常，线收缩由使得电流通过线诱发的线加热引起。电流应当被选择以将线保持在奥氏体稳定的温度。稳定温度可以通过将热输入与由于传导、对流和辐射引起的线热损失平衡来实现。优选地，这种稳定温度仅仅极小地超过线合金的Af温度。

可感测线涂层可允许确定线位置。这种确定可以是相对的（即，反映线位置从已知线参考位置的变化）或绝对的（即，反映相对于固定外部参考的线位置）。参考是线的紧固端的位置，通常致动器壳体。确定线位置可允许确认装置致动，且可以用于允许装置伸展的比例控制。控制器可响应于感测线和因而装置位置来调节通过线的电流的幅度。线可以保持在As和Af温度之间的温度，从而仅仅部分装置伸展可稳定地保持。控制器响应于控制信号可调节电流，以根据需要增加或减小装置伸展。

方案1. 一种改型包括线性形状记忆合金元件的致动器的方法，用于检测致动器在采用该致动器的制造物品中的移动，所述方法包括：

在所述线性形状记忆合金元件的选定表面区域上形成可感测涂层，所述涂层具有在表面上形成的成分，从而提供反映致动器在制造物品中移动的可检测信号。

方案2. 根据方案1所述的方法，其中，所述可感测涂层以涂层节段的图案形成，用于提供反映致动器在制造物品中移动的信号序列。

方案3. 根据方案1所述的方法，其中，所述可感测涂层具有可变厚度，用于提供具有反映致动器在制造物品中移动的变化强度的信号。

方案4. 根据方案1所述的方法，其中，所述可感测涂层具有可变成分，用于提供具有反映致动器在制造物品中移动的变化强度的信号。

方案5. 根据方案1所述的方法，其中，涂层是金属的且从水溶液沉积。

方案6. 根据方案5所述的方法，其中，金属涂层是铁磁的。

方案7. 根据方案1所述的方法，其中，涂层是金属的且通过金属盐的热分解来沉积。

方案8. 一种控制装置在包括传感器的制造物品中的位置的方法，所述装置操作性地连接到包括形状记忆合金线的致动器，所述形状记忆合金线用在线表面的至少一部分上形成的成分可感测涂层改型，从而提供与传感器相容且反映装置移动的可检测信号，所述方法包括：

改变形状记忆合金线的温度且感测形状记忆合金线的移动；

将线的感测运动与装置位置相关联；以及

调节形状记忆合金线的温度，以实现优选装置位置。

方案9. 根据方案8所述的方法，其中，所述可感测涂层以涂层节段的图案形成，用于提供反映形状记忆线致动器在制造物品中移动的信号序列图案。

方案10. 根据方案9所述的方法，其中，涂层节段的图案沿线的长度以可识别方式变化，从而线位置能通过用已知涂层图案识别传感器输出来确定。

方案11. 根据方案9所述的方法，其中，可感测涂层以规则方式沿线的长度带图案，线位置能通过检测并计数传感器输出中得到的规则变化且用相同数量的涂层变化识别这种规则传感器变化来确定。

方案12. 根据方案8所述的方法，其中，传感器是磁性、光学或电容传感器中的一种或多种。

方案13. 根据方案8所述的方法，其中，所述可感测涂层具有可变厚度，用于提供具有反映致动器在制造物品中移动的变化强度的信号。

方案14. 根据方案8所述的方法，其中，所述可感测涂层具有可变成分，用于提供具有反映致动器在制造物品中移动的变化强度的信号。

方案15. 一种控制基本可逆的可伸展装置在制造物品中的位置的***，所述***包括：

作为致动器的线性形状记忆合金元件，所述元件包括在元件的选定表面区域上形成的可感测涂层，涂层具有在表面上形成的成分，从而提供反映可伸展装置移动的可检测信号；

形状记忆合金元件一端固定地附连且第二端附连到可伸展装置；

传感器，适合于感测可感测层中的可检测特性且提供输出信号；

功率源，用于将电功率供应给形状记忆合金元件，以允许形状记忆合金线的电阻加热；

控制器，用于编译传感器输出信号以确定线运动，用于将线的感测运动与可伸展装置位置相关联，且用于调节由功率源供应给形状记忆合金的电流，以实现可伸展装置的预定定位。

方案16. 根据方案15所述的***，其中，线性形状记忆合金元件是线、带、缆线、编织物和链中的一种或多种。

方案17. 根据方案15所述的***，其中，所述可感测涂层以涂层节段的图案形成，用于提供反映致动器在制造物品中移动的信号序列。

方案18. 根据方案15所述的***，其中，所述可感测涂层是金属的且从水溶液沉积。

方案19. 根据方案15所述的***，其中，金属涂层是铁磁的。

方案20. 根据方案15所述的***，其中，传感器是磁性、电容或光学中的一种。

附图说明

图1A-C示出了在三个操作状况下的代表性SMA线致动器。图1A示出了致动器，其中，SMA线处于其马氏体状态；图1B示出了SMA线处于其奥氏体状态；图1C示出了SMA线在从图1B的奥氏体状态冷却后恢复至其马氏体状态后。

图2A和2B示出了处于其马氏体（图2A）和奥氏体状态（图2B）的SMA线致动器的第二设计。

图3示出了图1A-C派生的可控SMA线驱动致动器的简化表示。

图4是具有以伸展配置示出的可伸展空气流控制装置的示例性车辆的侧视图。

图5A-B是适合于伸展图4所示的车辆空气流控制装置中的一个或两者的SMA致动器和空气流控制装置的截面图。在图5A中，致动器以空气流控制装置缩回的配置示出；在图5B中，致动器以空气流控制装置伸展的配置示出。

图6A和6B图示了带图案SMA线的长度变化可以使用检测器检测的方式。图6A图示了线处于其马氏体状态，图6B图示了线处于其缩短奥氏体状态。

图7示出了适合于相对位置确定的带图案SMA线。

图8示出了适合于绝对位置确定的带图案SMA线。

图9示出了图8的带图案SMA线和代表性磁性传感器。

图10示出了图8的带图案SMA线和代表性光学传感器。

图11示出了带有可变厚度连续涂层的SMA线。

图12示出了带有可变成分连续涂层的SMA线。

图13示出了带有可变厚度连续涂层的SMA线和电容传感器的表示。

具体实施方式

在展现形状记忆效应的许多合金中，最常用的合金是基于镍和钛的几乎等原子成分的合金，通常描述为Nitinol。Cu-Al-Ni和Cu-Zn-Al也可商业获得，但是其使用没那么广泛。

形状记忆合金的许多应用涉及形状记忆元件呈现两个形状的能力用于启用致动器的机构和装置。通常，线或其它细长拉伸载荷承受形状（例如，带、缆线、编织物和链）可展现高达8％的可恢复应变，同时展现显著的力。但是在实践中，操作应变通常下降至大约5％－7％左右，以确保致动器在高达百万个左右循环内的可靠操作。致动器可以是用于伸展可重构结构元件的闩锁或装置，例如车辆上的气坝或可调谐可重构天线。

代表性但是通用的致动器在图1A、1B和1C中示出。在此，SMA线14或适合于施加拉伸载荷的其它SMA形式一端紧固到支撑件12，且另一端紧固到柱塞16的一端。柱塞16的最大伸长由止挡件26限制。柱塞16是导电的且SMA线通过允许柱塞16和SMA线14之间导电的一些手段紧固到柱塞16，例如卷边或熔合。SMA线14穿过隔板20和压缩螺旋弹簧18，隔板20从SMA线14电绝缘。弹簧18的一端与柱塞16的端部接触，而弹簧18的另一端与隔板20接触且由隔板20支撑。蓄电池22通过连接器26连接到SMA线14且连接到开关25的一个触头。开关24的另一个触头连接到（导电）柱塞16。因而，通过闭合开关24，建立允许电流沿SMA线14长度通过的电路。功率源在图1A-1C中显示为蓄电池。这是说明性的而不是限制性的，且其它电功率源（包括适合于提供交流、直流和脉宽调制直流的）可以在具有相等效用的情况下采用。主要要求在于所提供的平均功率在热损失的情况下足以将线温度增加高于其Af温度。如图1A所示，SMA线处于其低温马氏体晶体结构形式，且可以通过弹簧18的作用变形（伸长），其伸出从而移动柱塞16远离隔板20，直到柱塞16与止挡件26接触。在图1B中，开关24闭合，从而允许电流从蓄电池22流动通过SMA线14，从而加热线。当线14的温度超过马氏体-奥氏体转变温度时，SMA线将开始转变为奥氏体，且在这样做时将试图收缩或减小其长度，对抗弹簧18。通过弹簧18的长度的合适选择，由此时奥氏体较强线14施加的压缩应力压缩弹簧18，允许柱塞16缩回一定距离l。最大可获得缩回l将取决于线的长度、用所使用的具体SMA合金可实现的最大应变和基于伸长-缩回事件的所需或预期次数的致动器应变的任何降低。

在图1C中，开关24断开且SMA线14开始损失热量28给其周围，从而降低其温度。当线温度下降低于奥氏体-马氏体转变开始温度时，线开始转变为较低强度马氏体。在这样做时，马氏体通过弹簧18变形，这样做时，其伸出从而移动柱塞16，直到SMA线14的整个长度已经转变且弹簧18的伸长通过柱塞16端部与止挡件26接触而终止。

这种致动器的可选设计在图2A和2B中示出。在该“弓弦”配置中，SMA线14端部紧固在固定柱11处且紧固到支撑件17的一端，支撑件17继而紧固到柱塞16。夹在隔板20和柱塞16之间的压缩弹簧18适当地稳固的，以变形处于马氏体形式的线14且使得线14变形为弓弦配置且推动柱塞16远离隔板20，如图2A所示。在将线14加热到其奥氏体相14’时，如图2B所示，线14’试图变得更短和更直，且这样做时以箭头19的方向缩回柱塞16，克服由弹簧18施加的力。

除了其它之外，如图1A-1C和2A-2B所示的装置由于SMA线在从马氏体过渡至奥氏体且回到马氏体时的长度的可逆变化而操作。这种装置可以设计和构造成重复通过几十万个循环的该事件序列。

将理解的是，可以通过这种装置施加的最大力可以通过增加线直径或更优选地通过将多个线束捆在一起而增加。最大可实现位移可以通过增加线的长度而增加。在需要长的SMA线长度的大位移装置中，SMA线可以卷绕带轮或以其他方式包裹，以允许更紧凑装置。

图1A-1C和2A-2B所示的装置是形状记忆合金致动装置的广类的操作原理的代表，其根据上述说明，操作为简单的开关装置。本发明的目的是允许这种装置在闭环控制下操作。这可以用图3的设置实现，是图1A-C的派生。在图3中，可控SMA致动器***200的涂层SMA线48已经用与传感器21相容的涂层来涂层且可以通过传感器21感测。适当地，涂层已经带图案，从而在致动器操作期间线48在传感器21下方的移动将导致传感器21输出电信号或者电信号序列，取决于线移动范围。传感器21的输出通过线连接（如图所示）或者无线或其它不布线通信手段（未示出）传送给控制器208。控制器可以编译传感器信号或信号序列，以确定线48的位置和从而柱塞16的位置，且将该位置与控制器输入214规定的指令或优选线48位置进行比较。控制器208然后可以基于指令和感测柱塞位置之间的任何差异来控制来自于蓄电池22的电流，通过调节电流控制装置（在此非限制或约束地显示为可变电阻器204）的设置，通过经连接件206传送的控制信号。功率源（在此为蓄电池22）和线48之间的连接通过连接器26和212实现。

当然，可以不受限制地采用可选功率源（除了蓄电池22之外）和改变线48的功率输入的可选方案（除了可变电阻器204之外）。例如，可以使用交流功率源，且可以使用可选电路和电路装置，包括固态开关，例如半导体闸流管、三端双向可控硅开关和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。一个便利方法可以使用脉宽调制，其中，指令206相对于电流“off”脉冲的持续时间改变电流“on”脉冲的持续时间，以升高或降低通过SMA线的平均电流。

这种致动器的可能应用是根据需要展开车辆空气流控制特征，例如图4所示的车辆30的后扰流板32和前气坝34。这种空气流控制特征最初主要在较高性能车辆上可见，但是其中一个或两者现在通常在更适中性能的车辆上可见。在高速时，增加后扰流板可以延迟后窗处移动经过车顶的空气的流动分离。这种流动分离将形成低压区域且引起增加的阻力和降低的燃料经济性。气坝用于减少车辆下方流动的空气量，这减少气动升力且改进车辆操控，尤其是在高速时。

气坝和扰流板通常固定且因而不能适应车辆操作状况和相关空气量模式的变化，但是近年来，能够在存储和操作配置之间切换的可伸展单元经历增加的使用。例如，在图4中，后扰流板32可以可逆地伸展（如图所示）或者从空气流缩回，通过以箭头33所示的方向缩回到凹部32’中。类似地，气坝34可以可逆地伸展且以箭头35所示的方向缩回到凹部34’中。这种空气流控制装置的示例性基于SMC的致动装置，在此显示为应用于后扰流板的配置，在图5A和5B中分别以存储和伸展配置示出。

图5A是致动器40的截面的说明，致动器40带有容纳在壳体44内且通过螺旋弹簧46的作用保持在缩回配置的可伸展空气流控制装置41，螺旋弹簧46作用于SMA线48上。空气流控制装置41附连到支腿43和45，41、43和45的组合在截面上具有总体上类似字母“J”的形状。支腿41旨在***到车辆空气流（未示出）中，支腿43、45是允许装置操作的结构元件，将简要描述。空气流控制装置41的缩回范围由与支腿43相互作用的止挡件51限制。

处于马氏体形式的SMA线48总体上经过偏压螺旋弹簧46的圆柱体轴线且围绕带轮50和52，呈现总体上“U形”配置，且终止于块54。SMA线48呈现的U形配置允许更紧凑致动器设计，但是将理解的是，用如图1A-C所示的简单线性SMA装置可以获得相同操作特性。

块54可以是SMA线48的可固定地附连到壳体44的末端，或者块54可以是壳体44的整体特征，具有容纳和紧固SMA线48端部的合适配置。弹簧46的一端位于壳体44的凸台58中形成的凹穴56中且由其约束，弹簧46的另一端由支腿41、43和45形成的开口槽道60约束。

支腿41定尺寸为滑动地接合壳体40的开口62，从而支腿41的端部64在伸展时可以延伸超出壳体44的外表面66。任选地，柔性唇缘68可以沿壳体44的开口62定位，以防止或限制水分或碎屑进入。

在伸展时，如图5B所示，SMA线48’被加热且转变为奥氏体，且在转变时收缩以将力施加到支腿43，该力超过由偏压弹簧46施加的力，从而压缩螺旋弹簧46且将空气流控制装置移动离开止挡件51，并允许装置40的支腿41推开柔性唇缘68且延伸超出壳体44的表面66。为了简单起见，未示出加热手段，但是将理解的是，可以采用前文所述的焦耳加热过程。可选地，筒形加热器（cartridge）或其它加热器也可以有效，但是其响应可能比期望更慢。

图1A-C和5A-B所示的致动器中任一个的操作在开关控制下开环进行。虽然SMA非常稳固且失效不经常发生，但是将期望引入反馈，如图3所示的方案，从而SMA线和附连到致动器的柱塞或空气流控制装置的位置可以独立地评估。

该位置信息可以用于将线温度限制在仅仅极小地大于其Af温度。供应给线的热量，通常借助于使电流通过线，应当足以将线温度保持高于其Af温度。线将经受一些热损失，主要是由于对流，但是还由于传导和辐射。如果线位于空气流中，还可能发生由于强制对流引起的损失。在开环控制下，由于这些损失的程度可能没有用大的精度已知，施加的电流通常被选择为甚至在激进冷却下也将线温度保持高于Af。从而，在获得较不激进冷却的许多操作状况下，线温度显著大于Af，从而促进氧化和提前线失效。这些问题可以在线嵌入在聚合物内的组件中加剧。聚合物可从任何过高温度经受热降级，且如果线结合到聚合物，结合可能由过高温度降级。通过在已知线位置的情况下在闭环控制下操作，可以采用较低电流，具有线过热的较低可能性。

进一步在已知线状态的情况下，比例控制可能是可行的，从而例如图4的空气流控制装置的致动可以响应于车辆速度和空气流的细微变化累进，而不是在经过特定伸展阈值时完全伸展。致动器的累进致动通过转变的累进性质及其在SMA致动器的情况下在As-Af之间的温度范围内发生而变得可行。

由于转变通过电加热引起，施加的电流可以调节，从而在期望转变程度，由电流提供给线的热量刚好等于损失到环境的热量，使得线保持在与期望转变程度相对应的线温度。转变程度将对应于线的收缩程度，从而对应于柱塞或空气流控制装置的伸展程度。因而，通过感测线伸长/收缩，供应给线的电流可以被控制，以允许空气流控制装置的累进伸展。当然，感测线收缩的任何失效可用于指示***缺陷，例如将电流通过线的功率源的失效或者卡住的空气流控制装置（可能由于冰积聚引起）。

图6A和6B是本发明实施例的说明。具有均匀隔开的周向标记70（图6A）的马氏体线48转变为其奥氏体状态48’（图6B）。在转变时，线48经受（比如）7％的长度变化。由于线的一端74固定地附连到支撑件12，因而线的端部76将移动量l，大致等于线长度L的7％，从位置78移动到位置78’。因此，在线48收缩时，传感器72可以记录一些数量的标记70的经过，且如果足够敏感，还可以记录标记70’的宽度相对于标记70减小类似7％左右。当然，传感器72可以位于任何便利位置。但是线收缩的程度（范围）与支撑件12和传感器72之间的距离成比例。因而，将传感器72定位更靠近支撑件12将减少收缩的幅度，从而需要更大传感器敏感性和传感器噪音免疫性，且对于类似测量精度需要间隔更紧的标记。同样，线用于致动装置，例如空气流控制装置40（图5A），从而装置的位置应当被控制。因此，在靠近线与装置的附连点之外的一些位置测量线位移需要适当地标度任何感测线位移，以确定装置位移。由于这些原因，优选靠近线与装置的附连点测量线位移，从而线位移可基本上等于装置位移。

在图6A和6B中，标记70、70’显示为沿线的长度设置，但是要清楚，这是不必要的。在线长度变化7％或更小（代表通常可获得的SMA成分）时，大多数标记未在传感器下方经过，且未被轮询或检测。从而，仅仅将标记集中于线在线操作中可能由传感器轮询的部分中就足够了。标记可允许相对定位或绝对定位。例如，应用于线48的均匀隔开的周向标记170（如图7所示）允许相对定位。线48的收缩将导致一系列标记170在传感器72下方经过。如果传感器72检测到一系列标记，那么可以假定装置的操作，且通过计数在传感器下方经过的标记数量，线的行程可以估计且与设计行程进行比较。然而，这种设置将不确定线48或任何致动器、柱塞或可附连的类似装置的绝对位置，除非已知初始位置。通过改变或编码标记，可以获得绝对位置信息。在图8所示的示例性编码方案中，线（如图7中48所示）的将由传感器“看到”的部段100已经被适当地标度为线的预期位移，仅仅通过示例的方式，分为12个部分。10个带字母部分A-K中的每一个具有基本相等的长度，且每个部分包括标记节段90和未标记节段92，例如以部分A和部分H显示。标记节段的长度线性地标度，从而部分A（第一部分）的标记节段90是该部分长度的1/10，部分H（第七节段）的标记节段90是该部分长度的7/10。当然，每个部分的未标记节段长度上与标记部分互补。导前节段80通过具有一组三个等距隔开的标记可以被独特地识别，而也具有一组三个等距隔开的标记的末尾节段82可以通过标记的更大宽度和间隔从导前节段80区分。

因而，在线收缩开始时，传感器应当感测导前节段80的三个窄的基本等距隔开的标记，然后，随着进一步收缩，相继感测节段A-K，且在线收缩结束时，感测末尾节段82。然而，与图7的基本等距隔开标记不同，线位置可以在特定部分A-K的标记节段90或互补未标记节段92的精度内已知。所示和所述的编码方案当然仅仅是可接受编码方案的说明，且可以不限制地采用其它方案，例如基于二进制编码或条形编码或任何其它合适方法。

任何离散编码方案可仅仅准确到最大可检测特征的标度内。因而，可优选采用这样的编码方案：其中，小编码特征位于已知优选操作区域内。然而，通常来说，特征的标度将小，从而位置的任何不准确性可能是细微的。例如，考虑长度200毫米的SMA线。7％长度减小对应于大约14毫米，或者在刚才讨论的12节段方案下，大约1毫米每个节段或者最大位置不确定性大约±0.5毫米左右，对应于大约±4％左右。如果这不可接受地大，那么可以使用下文所述的连续可变涂层。

感测可以是连续的或者周期性的。然而，如果是周期性的，取样速率必须被选择为远小于最小可感测特征经过视场所需的时间。取样速率越大，特征脉冲持续时间评估准确性越大。

假定线的伸长或收缩速率一致，线经过传感器的速率将恒定，且脉冲的持续时间将与标记长度成比例。如果速率不一致，而是加速或减速，各个节段的已知长度可用于估计加速度且校正持续时间，以再次从脉冲的持续时间提取节段长度信息。要注意的是，由于线的伸长或收缩速率事前未知，因而未知标记或未标记节段的长度的绝对测量不直接可行。然而，一旦进行位置确定，速率可以估计，从而节段长度可以估计。这些估计长度可以与马氏体状态的已知长度进行比较，以确认它们经受长度的预期收缩。

绝对或相对定位方案可用于比例控制，但是由于绝对编码允许从瞬时数据丢失更快恢复，因而可能是优选的。如果数据短时间中断，在相对定位方法下，受控线收缩仅仅可以在SMA线第一次重置为已知操作点（完全收缩或完全伸长）以建立参考之后再次建立。在绝对定位时，SMA线可以通过充分抖动线位置以便传感器取样至多3个节段而容易地重置为期望线收缩且再次建立其位置。通过扫描三个节段，控制器可以估计速度和加速度，且基于脉冲持续时间再次估计节段长度。

传感器72可以是能够检测线上涂层的存在或不存在的任何传感器。适当地，传感器72可以响应于涂层的磁性属性、涂层的介电属性或涂层的光学属性。例如，磁性传感器可以用于检测线表面的铁磁属性的差异，光学传感器可以用于检测线表面的反射率的差异，电容传感器或电阻传感器可以用于检测线表面的介电属性的差异。然而，通常由于电容测量可以在没有涂层（或线）-传感器接触的情况下进行，因而，电容测量优于电阻测量。在每一情况下，线的表面属性可以通过将带图案涂层涂覆到表面而选择性改变，其选择性地改变感测属性。

可以说明使用以下示例性过程来通过无电镀金属化或通过电镀在Ni-Ti线上沉积铁磁材料的过程。由于Ni-Ti容易产生粘附的表面氧化物，用于去除表面氧化物的侵蚀过程将在任何涂层步骤之前。这种稳固过程对于其它SMA合金可能不需要。

去除氧化物层的合适过程包括使线清洁和脱脂，首先使用干揩擦，使用无棉纸巾，然后用丙酮，2-丙醇揩擦，最后二甲苯。线然后被空气干燥且用去离子水漂洗且保持潮湿，直到过程完成且沉积物铺设在线表面上。线然后在化学腐蚀溶液中沉浸20分钟，包括3％氢氟酸和15％硝酸（均按体积计）的水溶液，随后是去离子水漂洗剂中的两次相继浸渍。

清洁和侵蚀的无氧化物线样本然后在1％-5％（按重量计）PdCl₂水溶液中沉浸10－120秒，移开且浸渍在两个相继的去离子水漂洗剂中。线然后放置在无电镀钴池中，其将铁磁钴-磷Co-P混合物沉积10－120秒，移开且浸渍在两个相继的去离子水漂洗剂中，然后被空气干燥。

合适的无电镀钴池可以通过将一升水添加到24克硫酸钴五水合物CoSO₄·5H₂O；70克柠檬酸钠Na₃C₆H₅O₇；20克次磷酸钠NaH₂PO₂·H₂O中而制备。pH可以用稀释氢氧化钠调节为8.5。溶液的合适的操作温度在大约80°C和95^oC之间。实现可接受厚度的沉积物的总沉积时间小于大于40分钟。

在第一次与含钴池接触时，线应当形成电化学电池的阴极。电流短时间施加若干秒，且电流中断，Co-P沉积大约20分钟。此时，线从溶液移开，用去离子水漂洗，且允许在空气中干燥。

可以采用其它铁磁涂层。无电镀Co和Ni可以使用如上文所述的池和成分无电镀地沉积。从这种池沉积的Co和Ni可以处于相对纯的状态，或者与其它元素（通常是硼和磷）混合。镍、钴和铁或者这些元素的合金的涂层（有或者没有磷或硼）可以使用电沉积形成。在形成合金时，涂层成分应当被选择为铁磁。这种电沉积的工艺和过程是本领域技术人员熟知的。

SMA还可以通过将含有铁磁金属或化合物颗粒的涂料涂覆或者通过将在点火后形成铁磁金属或材料的前体作为墨涂覆而用磁性层涂层。甲酸盐是合适的前体。类似过程涉及涂覆包括溶剂的涂层，带有溶解的可溶前体，在还原气氛中点火后将形成金属或者在空气或氧气中点火时形成氧化物。还可以使用真空沉积或等离子以及火焰涂层。

虽然在给定示例中，线的连续部分被涂层，但是如图7和8所示，通过选择性地掩模线，可以容易地涂覆带图案涂层。类似地，通过使用具有中间掩模的多步骤过程，可以产生多厚度层。

对于给定示例，涂层线的局部磁性属性可以使用磁性传感器（如图9中以92示出）感测。在此，传感器，例如磁阻传感器90置于磁体或者附连到结构96的电磁体94的通量中，结构96提供通量返回路径。涂层和未涂层线节段的变化磁性特性将引起磁阻传感器90中的不同响应，以产生将涂层图案映射到线48上的脉冲序列。为了最佳信号-噪音比，涂覆到节段170的涂层应当是铁磁的，但是顺磁性涂层（其磁性属性与线的顺磁性属性可检测地不同）也可以是合适的。

在图10所示的独立实施例中，各个编码节段可具有在电磁频谱中任何部分的不同光学反射率。例如，反射涂层102可以是明亮铬或其它合适材料的涂层，而吸收性涂层104可以是Ni-Ti上自然发生的氧化物。在此，在示例性光源/传感器120中，来自于合适源（未示出）的光射线108通过透镜106聚焦在线表面处的小直径光探针112上。入射照射中的一些被散射且作为射线114反射，射线114由检测器116捕获，在此非限制性地显示为包围透镜106的环状检测器。检测器116，可以是光电检测器，将响应于线表面的不同反射性再次输出映射到表面图案的脉冲序列。

图11和12图示可选涂层实施例。图11示出了线48用连续涂层125涂层，其厚度从一端到另一端逐渐增加。这种涂层可通过例如借助于电镀在线上涂层金属同时从电镀池逐渐抽出线而形成。如果期望不导电层，金属涂层可以氧化或者与合适气体在升高温度下反应以形成氧化物、碳化物、氮化物或其它不导电化合物。

图12示出了具有大致一致厚度但是逐渐变化成分的涂层135。例如，如果线用合金电镀，合金的成分可以通过改变电流密度而变化。因而，通过将从电解液移开线（或者将线***电解液中）与电流密度的编程变化（由电压的编程变化驱动）同步，成分可以***地变化。可选地，线可以使用位于距线可变距离处的阳极来电沉积。

真空沉积可以通过从两种化学上不同的源共同沉积来改型。通过将线经过源与每个源的贡献的编程变化同步，可以涂覆大致一致但化学上不同的沉积物。

这种连续涂层给连续模拟绝对定位测量提供机会，而不需要进一步编码，因为厚度变化本身传送位置信息。例如，在图13所示的设置中，可变厚度介电涂层125’的厚度可以通过电容计134使用由交流源132供电的交流电容探针130来确定。在所示配置中，SMP线用作电容器“板”中的一个，但是本领域技术人员将理解，可以使用包括与线/涂层曲率大致一致的弯曲小片电容传感器的独立“板”。因而，例如，在如图13所示的配置中，绝对位置可以用特定涂层厚度识别，从而从测量电容推断的涂层厚度的估计将独特地识别线位置。当然，这种模拟方法还可以引入噪音和偏移的普遍存在问题，其可起作用限制在实际***中可实现的精度。

已知线位置，可以确定附连到线的任何致动器或柱塞的位置。从而，为了提供机动车上的气坝或后扰流板的累进或连续可变伸展，如前文结合图4和5的讨论所述，仅仅需要将装置的特定伸长与特定线位置相关联且致动SMA线，直到实现指定位移。这种所需伸展的程度将通常与车辆操作状况相关，包括车辆操作速度。这可以在车载控制器中的查询表中获取，可以以一定预定间隔轮询。于是，例如，当车辆速度使得需要装置伸展，合适电流可通过SMA线，以至少启动其转变为奥氏体。期望控制线收缩的程度，这取决于线中的马氏体-奥氏体转变程度，继而将取决于线温度。但是，由于唯一的控制参数是流经线的电流，因而上文提及的查询表应当在初始电流上引入一些指导，从而伸展不会如此快以使得装置显著地过冲其预期伸展量。优选地，装置将在一些预定致动电流下操作，直到装置精密地趋近其期望伸展位置，且然后控制将转给控制器，控制器将基于线位置控制供应给线的瞬时电流。在需要更快伸展的状况下，初始周期的高电流之后可以是第二周期的较小电流，直到实施响应于线位置的电流控制。当然，由于线温度响应于电阻加热和由于传导、对流和辐射引起的热损失之间的平衡，线环境的变化可能需要施加的电流以比如每5秒左右的相对频繁间隔重复调节。

本发明的实施例的上述描述旨在说明本发明，而不旨在限制本发明的要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种改型包括线性形状记忆合金元件的致动器的方法，用于检测致动器在采用该致动器的制造物品中的移动，所述方法包括：

在所述线性形状记忆合金元件的选定表面区域上形成可感测涂层，所述涂层具有在表面上形成的成分，从而提供反映致动器在制造物品中移动的可检测信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可感测涂层以涂层节段的图案形成，用于提供反映致动器在制造物品中移动的信号序列。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可感测涂层具有可变厚度，用于提供具有反映致动器在制造物品中移动的变化强度的信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可感测涂层具有可变成分，用于提供具有反映致动器在制造物品中移动的变化强度的信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，涂层是金属的且从水溶液沉积。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，金属涂层是铁磁的。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，涂层是金属的且通过金属盐的热分解来沉积。

8.一种控制装置在包括传感器的制造物品中的位置的方法，所述装置操作性地连接到包括形状记忆合金线的致动器，所述形状记忆合金线用在线表面的至少一部分上形成的成分可感测涂层改型，从而提供与传感器相容且反映装置移动的可检测信号，所述方法包括：

改变形状记忆合金线的温度且感测形状记忆合金线的移动；

将线的感测运动与装置位置相关联；以及

调节形状记忆合金线的温度，以实现优选装置位置。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述可感测涂层以涂层节段的图案形成，用于提供反映形状记忆线致动器在制造物品中移动的信号序列图案。

10.一种控制基本可逆的可伸展装置在制造物品中的位置的***，所述***包括：

作为致动器的线性形状记忆合金元件，所述元件包括在元件的选定表面区域上形成的可感测涂层，涂层具有在表面上形成的成分，从而提供反映可伸展装置移动的可检测信号；

形状记忆合金元件一端固定地附连且第二端附连到可伸展装置；

传感器，适合于感测可感测层中的可检测特性且提供输出信号；

功率源，用于将电功率供应给形状记忆合金元件，以允许形状记忆合金线的电阻加热；

控制器，用于编译传感器输出信号以确定线运动，用于将线的感测运动与可伸展装置位置相关联，且用于调节由功率源供应给形状记忆合金的电流，以实现可伸展装置的预定定位。

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