型智能悬臂梁传感特性及应用研究-碳纤维智能层.docx

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”型智能悬臂梁传感特性及应用研究

碳纤维智能层-论文网

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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