型智能懸臂梁傳感特性及應(yīng)用研究

1、型智能懸臂梁傳感特性及應(yīng)用研究論文摘要：研制了一種新U;型樹(shù)脂基碳纖維智能層作為傳感元件的懸臂梁 圖1智能懸臂梁結(jié)構(gòu)圖2碳纖維智能層結(jié)構(gòu)假設(shè)懸臂梁臂長(zhǎng)為l，梁寬為b，厚度為h；樹(shù)脂基碳纖維智能層貼在距懸臂梁根部為a的位置上。又因?yàn)樘祭w維智能層的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于懸臂梁的剛度，即忽略智能層的剛度，其電阻變化所表征應(yīng)變即為懸臂梁對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的應(yīng)變。如圖1建立平面坐標(biāo)系，可以求得懸臂梁在aa+c段產(chǎn)生的線應(yīng)變：如果碳纖維智能層貼在a=0加載時(shí)，碳纖維智能層感受到的平均應(yīng)變相當(dāng)于在其長(zhǎng)度的一半即處懸臂梁的點(diǎn)應(yīng)變。1.2實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備樹(shù)脂基碳纖維智能層的結(jié)構(gòu)如圖2所示，規(guī)格為100mmx20mm，用一束連續(xù)碳纖維做成近

2、似U型的結(jié)構(gòu)，U型結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度約為90mm，寬度約為5mm；然后用導(dǎo)電銀膠在碳纖維束的兩端貼好電極，最后用調(diào)配好的E44環(huán)氧樹(shù)脂封裝。封裝后，放入烘箱60恒溫加熱10min，在室溫下固化24小時(shí)即可貼在懸臂梁上進(jìn)行測(cè)試。懸臂梁的材料為45號(hào)鋼，尺寸為：l=280mm，b=55mm，h=5mm。實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備包括：Instron5882材料試驗(yàn)機(jī)；Keithley2700多通道數(shù)據(jù)采集儀；YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀；烘箱；其它儀器和工具等。1.3智能懸臂梁的測(cè)試將圖2所示的碳纖維智能層貼在懸臂梁上部a=0的位置，那么按式2的要求，將電阻應(yīng)變片貼在懸臂梁下部與碳纖維智能層中部對(duì)應(yīng)的位置；將智能層電極

3、與Instron5882材料試驗(yàn)機(jī)的力、位移輸出端接入Keithley2700多通道數(shù)據(jù)采集儀，將電阻應(yīng)變片接入YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀，采用1/4橋進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。對(duì)智能懸臂梁自由端進(jìn)行加載，對(duì)智能懸臂梁進(jìn)行了兩種方式的測(cè)試：1循環(huán)加載1：位移控制，采用三角波循環(huán)加載，峰值保持8mm，共5個(gè)周期；加載的速度為8mm/min，如圖3所示。圖3最大位移為8mm的循環(huán)加載從圖中可以看出：1電阻和應(yīng)變隨著位移的增大而線性增大，隨著位移的減小而線性減小；2電阻的波峰或波谷值在5個(gè)周期內(nèi)未出現(xiàn)滯后或者衰減現(xiàn)象，其波形與位移、應(yīng)變的波形一致，說(shuō)明在循環(huán)加載過(guò)程中電阻變化穩(wěn)定。2循環(huán)加載2：位移控制，采用三

4、角波循環(huán)加載，峰值保持12mm，共5個(gè)周期；加載的速度為12mm/min，如圖4所示。圖4最大位移為12mm的循環(huán)加載比擬圖4與圖3，發(fā)現(xiàn)圖4中5個(gè)周期內(nèi)電阻波峰值附近的曲線都比擬扁平，這是由于最大位移12mm時(shí)，應(yīng)變超過(guò)智能層傳感極限，智能層電阻和應(yīng)變不成線性關(guān)系。通過(guò)對(duì)智能懸臂梁的循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，應(yīng)變?cè)趥鞲袠O限內(nèi)，碳纖維智能層電阻變化率與應(yīng)變呈線性關(guān)系，即；超過(guò)傳感極限后，智能層電阻和應(yīng)變不成線性關(guān)系；但當(dāng)懸臂梁的最大應(yīng)變回復(fù)到傳感極限范圍內(nèi)，懸臂梁的智能層電阻那么與應(yīng)變?nèi)猿删€性可逆變化。2智能懸臂梁的傳感性能及分析通過(guò)對(duì)碳纖維智能懸臂梁的加載試驗(yàn)及相關(guān)的數(shù)據(jù)分析，可以得到智能懸臂梁的靈

5、敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性與零點(diǎn)漂移等傳感特性。2.1靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量之比。用S表示靈敏度，那么，其中表示電阻變化率。由圖3可得碳纖維智能層的靈敏度：2.2線性度與遲滯特性線性度是在標(biāo)準(zhǔn)條件環(huán)境溫度為205C，相對(duì)濕度不大于85%下，U;型樹(shù)脂基碳纖維智能層的校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程輸出值的百分比，用表示。用最小二乘法擬合直線見(jiàn)圖5所示。圖5擬合曲線與校準(zhǔn)曲線圖6遲滯特性圖從而得到智能懸臂梁的線性度：遲滯特性可用傳感器正行程和反行程平均校準(zhǔn)特性之間的最大差值與滿量程輸出的百分比來(lái)表示。作出正反行程時(shí)樹(shù)脂基碳

6、纖維智能層電阻與應(yīng)變的變化圖6。從圖6可以得到樹(shù)脂基碳纖維智能層的遲滯H：2.3重復(fù)性重復(fù)性是一個(gè)反映傳感器能否精密測(cè)量的性能指標(biāo)。它是指在相同工作條件下，在一段短的時(shí)間間隔內(nèi)，輸入量從同一方向作滿量程變化時(shí)，同一輸入量值所對(duì)應(yīng)的連續(xù)先后屢次測(cè)量所得的一組輸出量值的相互偏離程度。用標(biāo)準(zhǔn)偏差s表示重復(fù)性。重復(fù)性用下式算出：對(duì)于正態(tài)分布，當(dāng)置信概率系數(shù)為2，置信概率為95.44%；取為3時(shí)，那么為99.73%。按8mm位移控制，作3個(gè)周期的循環(huán)加載，得到智能層的重復(fù)性數(shù)據(jù)。整理計(jì)算后可以得到：上式結(jié)果說(shuō)明，碳纖維智能層重復(fù)性較好。2.4零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移是指測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試其范圍內(nèi)最低值時(shí)，在規(guī)定條件下

7、輸出隨時(shí)間而變化的趨勢(shì)。進(jìn)行零點(diǎn)漂移測(cè)試，先將樹(shù)脂基碳纖維智能層兩電極接通keithley2400電源，通電10mA預(yù)熱10分鐘；通電加熱后將兩電極接入keithley2700，在懸臂梁無(wú)任何加載的情況下，每隔10min記錄一次傳感器的零點(diǎn)輸出，共進(jìn)行一小時(shí)。記錄的1小時(shí)智能層電阻數(shù)據(jù)如下：表1零點(diǎn)漂移電阻值 時(shí)間 10 20 30 40 50 60 電阻 329.2832 329.3044 329.3096 329.2223 329.2694 329.2128 由表1可以得到樹(shù)脂基碳纖維智能層一小時(shí)內(nèi)的零點(diǎn)漂移D：式中傳感器零點(diǎn)初始輸出值，傳感器零點(diǎn)最大輸出值。傳感器是數(shù)據(jù)采集的重要部件之一

8、，其精確度及穩(wěn)定性的好壞，直接影響測(cè)量結(jié)果的精確與否。靈敏度是影響傳感器精度的重要指標(biāo)之一，一般情況下，提高靈敏度，可得到較高的測(cè)量精度，本文設(shè)計(jì)的碳纖維智能懸臂梁靈敏度高，到達(dá)150，比電阻應(yīng)變片的靈敏度約為2要高得多；智能懸臂梁的重復(fù)性好，零點(diǎn)漂移較小，在循環(huán)加載試驗(yàn)中電阻變化穩(wěn)定。另外，由于利用樹(shù)脂基碳纖維智能層作為傳感元件的研究尚處于初步階段，懸臂梁的線性度與遲滯比現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的懸臂梁傳感器要大，有待于進(jìn)一步提高制作工藝水平和消除試驗(yàn)誤差。3結(jié)語(yǔ)本文針對(duì)U;型智能層懸臂梁結(jié)構(gòu)的傳感特性分析說(shuō)明：采用樹(shù)脂基碳纖維智能層作為應(yīng)變測(cè)量元件，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于復(fù)合

9、材料本征結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、位移監(jiān)測(cè)，還可以在稱(chēng)重等需要高靈敏度測(cè)量的領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)1 陶寶祺. 智能材料結(jié)構(gòu).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1997.2 朱四榮,鄭華升,李卓球. 樹(shù)脂基搭接碳纖維智能層的力阻特性.復(fù)合材料學(xué)報(bào),2021(6):111-155.4 周文松,李惠,歐進(jìn)萍. 反復(fù)荷載作用下碳纖維復(fù)合材料力電性能試驗(yàn)研究. 功能材料. 2004(35):2227-22295 宋顯輝,劉冬,呂泳,李卓球. 碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的傳感特性研究. 工程塑料應(yīng)用,2007,2(35):48-516 SihaiWen, Chung D D L. Electrical-resistance-based damage self-sensing in carbon fiber reinforced cement. Carbon 45 (2007) 710-716.7 Zhu Sirong , Chung D D L. Analytical model of piezoresistivity for strain sensing in carbon fiber polymer-matrix structuralcomposite under flexure.Carbon,2007,45(8):1606-1613.8 Yoshi