论文摘要：研制了一种新“U”型树脂基碳纤维智能层作为传感元件的悬臂梁（以下简称智能悬臂梁）结构形式；介绍了智能悬臂梁的测试原理；基于对智能悬臂梁进行加载时的相关参数测试，研究了智能悬臂梁灵敏度、迟滞与线性度等传感特性；进一步探讨了智能梁在实际应用中的可行性。

　　论文关键词：碳纤维智能层，智能悬臂梁，传感特性

　　引言

　　碳纤维复合材料具有良好的力学性能和稳定的化学性能，作为一种结构材料已被广泛应用于航空航天、土木工程以及人们日常生活中的各个领域。同时，碳纤维复合材料具有良好的导电功能和力电效应（电阻（率）随应变等力学参数线性可逆变化），具有结构自监测和电磁屏蔽等多种智能特性。经过研究发现，树脂基碳纤维复合材料作为一种智能材料，具有良好的灵敏度和稳定性，可通过监测智能层电阻率的变化，从而实现对结构的应变测量。

　　本文探讨一种“U”型碳纤维树脂基智能层作为传感元件，具有结构简单，稳定性好，灵敏度高等优点，尤其是在树脂基复合材料结构的检测中的应用，相对于其他传感元件（如应变片、光纤传感器件等）而言，其具有本征特性的优势，因而在树脂基复合材料结构监测中具有潜在的应用前景。

　　1智能悬臂梁实验

　　1.1测试原理

　　以悬臂梁结构形式来说明智能层的应用原理，如图1与图2所示。将图2所示长为c的“U”型树脂基碳纤维智能层贴在悬臂梁上部，在自由端施加集中载荷F。由于碳纤维智能层测量的是悬臂梁的线应变，需要确定荷载F与智能层所测线应变之间的关系。

　　收稿日期：

　　作者简介：尹春根（1984-），男，在读硕士；武汉，武汉理工大学理学院（430070）

　　E-mail: ycgfkts@163.com

　　资助项目：中央高校基本科研业务费专项资金（2010-la-002）

　　图1智能悬臂梁结构图2碳纤维智能层结构

　　假设悬臂梁臂长为l，梁宽为b，厚度为h；树脂基碳纤维智能层贴在距悬臂梁根部为a的位置上。又因为碳纤维智能层的刚度远远小于悬臂梁的刚度，即忽略智能层的刚度，其电阻变化所表征应变即为悬臂梁对应点处的应变。如图1建立平面坐标系，可以求得悬臂梁在a~a+c段产生的线应变：

　　（1）

　　如果碳纤维智能层贴在a=0（固定端附近）的位置上，则

　　（2）

　　加载时，碳纤维智能层感受到的平均应变相当于在其长度的一半（即）处悬臂梁的点应变。

　　1.2实验准备

　　树脂基碳纤维智能层的结构如图2所示，规格为100mmx20mm，用一束连续碳纤维做成近似U型的结构，U型结构的长度约为90mm，宽度约为5mm；然后用导电银胶在碳纤维束的两端贴好电极，最后用调配好的E44环氧树脂封装。封装后，放入烘箱60℃恒温加热10min，在室温下固化24小时即可贴在悬臂梁上进行测试。

　　悬臂梁的材料为45号钢，尺寸为：l=280mm，b=55mm，h=5mm。

　　实验仪器及设备包括：Instron5882材料试验机；Keithley2700多通道数据采集仪；YE2539高速静态应变仪；烘箱；其它仪器和工具等。

　　1.3智能悬臂梁的测试

　　将图2所示的碳纤维智能层贴在悬臂梁上部a=0的位置，则按式（2）的要求，将电阻应变片贴在悬臂梁下部与碳纤维智能层中部对应的位置；将智能层电极与Instron5882材料试验机的力、位移输出端接入Keithley2700多通道数据采集仪，将电阻应变片接入YE2539高速静态应变仪，采用1/4桥进行应变测量。对智能悬臂梁自由端进行加载，对智能悬臂梁进行了两种方式的测试：

　　（1）循环加载1：位移控制，采用三角波循环加载，峰值保持8mm，共5个周期；加载的速度为8mm/min，如图3所示。

　　图3最大位移为8mm的循环加载

　　从图中可以看出：（1）电阻和应变随着位移的增大而线性增大，随着位移的减小而线性减小；（2）电阻的波峰或波谷值在5个周期内未出现滞后或者衰减现象，其波形与位移、应变的波形一致，说明在循环加载过程中电阻变化稳定。

　　（2）循环加载2：位移控制，采用三角波循环加载，峰值保持12mm，共5个周期；加载的速度为12mm/min，如图4所示。

　　图4最大位移为12mm的循环加载

　　比较图4与图3，发现图4中5个周期内电阻波峰值附近的曲线都比较扁平，这是由于最大位移12mm时，应变超过智能层传感极限，智能层电阻和应变不成线性关系。

　　通过对智能悬臂梁的循环加载实验表明，应变在传感极限内，碳纤维智能层电阻变化率与应变呈线性关系，即；超过传感极限后，智能层电阻和应变不成线性关系；但当悬臂梁的最大应变回复到传感极限范围内，悬臂梁的智能层电阻则与应变仍成线性可逆变化。

　　2智能悬臂梁的传感性能及分析

　　通过对碳纤维智能悬臂梁的加载试验及相关的数据分析，可以得到智能悬臂梁的灵敏度、线性度、迟滞、重复性与零点漂移等传感特性。

　　2.1灵敏度

　　灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度，则，其中表示电阻变化率。

　　由图3可得碳纤维智能层的灵敏度：

　　2.2线性度与迟滞特性

　　线性度是在标准条件（环境温度为205°C，相对湿度不大于85%）下，“U”型树脂基碳纤维智能层的校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比，用表示。用最小二乘法拟合直线见图5所示。”型智能悬臂梁传感特性及应用研究_碳纤维智能层-论文网

　　时间：2014-07-11  作者：尹春根，朱四荣

　　图5拟合曲线与校准曲线图6迟滞特性图

　　从而得到智能悬臂梁的线性度：

　　迟滞特性可用传感器正行程和反行程平均校准特性之间的最大差值与满量程输出的百分比来表示。作出正反行程时树脂基碳纤维智能层电阻与应变的变化图6。

　　从图6可以得到树脂基碳纤维智能层的迟滞H：

　　2.3重复性

　　重复性是一个反映传感器能否精密测量的性能指标。它是指在相同工作条件下，在一段短的时间间隔内，输入量从同一方向作满量程变化时，同一输入量值所对应的连续先后多次测量所得的一组输出量值的相互偏离程度。用标准偏差s表示重复性。

　　重复性用下式算出：

　　（3）

　　对于正态分布，当置信概率系数为2，置信概率为95.44%；取为3时，则为99.73%。

　　按8mm位移控制，作3个周期的循环加载，得到智能层的重复性数据。

　　整理计算后可以得到：

　　上式结果表明，碳纤维智能层重复性较好。

　　2.4零点漂移

　　零点漂移是指测试系统测试其范围内最低值时，在规定条件下输出随时间而变化的趋势。进行零点漂移测试，先将树脂基碳纤维智能层两电极接通keithley2400电源，通电10mA预热10分钟；通电加热后将两电极接入keithley2700，在悬臂梁无任何加载的情况下，每隔10min记录一次传感器的零点输出，共进行一小时。记录的1小时智能层电阻数据如下：

　　表1零点漂移电阻值

　　时间（min）

　　10

　　20

　　30

　　40

　　50

　　60

　　电阻（Ω）

　　329.2832

　　329.3044

　　329.3096

　　329.2223

　　329.2694

　　329.2128

　　由表1可以得到树脂基碳纤维智能层一小时内的零点漂移D：

　　式中—传感器零点初始输出值，—传感器零点最大输出值。

　　传感器是数据采集的重要部件之一，其精确度及稳定性的好坏，直接影响测量结果的精确与否。灵敏度是影响传感器精度的重要指标之一，一般情况下，提高灵敏度，可得到较高的测量精度，本文设计的碳纤维智能悬臂梁灵敏度高，达到150，比电阻应变片的灵敏度（约为2）要高得多；智能悬臂梁的重复性好，零点漂移较小，在循环加载试验中电阻变化稳定。另外，由于利用树脂基碳纤维智能层作为传感元件的研究尚处于初步阶段，悬臂梁的线性度与迟滞比现在广泛应用的悬臂梁传感器要大，有待于进一步提高制作工艺水平和消除试验误差。

　　3结语

　　本文针对“U”型智能层悬臂梁结构的传感特性分析表明：采用树脂基碳纤维智能层作为应变测量元件，具有灵敏度高、结构简单与稳定性好等优点，可应用于复合材料本征结构的应变、位移监测，还可以在称重等需要高灵敏度测量的领域。

　　参考文献

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