（计算机应用技术专业论文）碳纤维三维编织复合材料预制件厚度的测量.pdf

abs tract i t i s p r e r e q u i s i t e t o m e a s u r e t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l b r a i d e d c o m p o s i t e m a t e r i a l s p r e f o r m s t e c h n ic a l p a r a m e t e r s in t h e p r o c e s s o f i t s d e s i g n a n d p r o d u c t i o n . i t i s s h o w n t o b e o f m a j o r s i g n i f i c a n c e t o t h e q u a l i t y g u a r a n t e e a n d p r o p e r t y a n a l y s i s o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l s p r e f o r m t h a t d e s i g n a m e a s u r i n g s y s t e m , w h i c h c a n m e a s u r e a n d a n a l y z e i t s t h i c k n e s s a c c u r a t e l y a n d q u i c k l y . t h i s p a p e r p r e s e n t s a m e t h o d o f u s i n g m a g n e t i c s e n s o r t o m e a s u r e t h e t h i c k n e s s o f c a r b o n f i b e r t h r e e - d i m e n s i o n a l b r a i d e d c o m p o s i t e m a t e r i a l s p r e f o r m w h i c h i s b a s e d o n t h e m a t e r ia l s p e r m e a b i l i t y a n d c o n d u c t i v i t y . a c c o r d i n g t o t h e id e a , t h e s y s t e m e q u i p m e n t i s e s t a b l i s h e d , t h e d a t a o f e x p e r i m e n t s i s g a t h e r e d , t h e s y s t e m p r o v e s f e a s i b l e a n d t h e i r r e g u l a r i t y i n d e x i s a n a l y z e d . t h i s s y s t e m a l s o p r o v e s t o b e a m e a s u r e m e n t o f g l a s s f i b e r t h r e e - d i m e n s i o n a l b r a i d e d c o m p o s i t e m a t e r i a l s p r e f o r m s . t h e m e t h o d t h is p a p e r d i s c u s s e d i s a n i n n o v a t o r y o f t h e u n i v e r s a l t h i c k n e s s m e a s u r e m e n t . t h e s e r e s e a r c h r e s u l t s w i l l h e l p f i l l i n g i n a g a p i n t h i s f i e l d a n d p r o v id e t h e b a s i s f o r t h e s t u d y o f m e c h a n i c a l c a p a c i t y a n d p r o d u c i n g t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l b r a i d e d c o m p o s i t e m a t e r i a l s p r e f o r m a c c u r a t e l y . k e y w o r d s : t h r e e - d i m e n s i o n a l b r a i d e d ，c o m p o s it e m a t e r i a l s , p r e f o r m , s e n s o r , m e a s u r i n g s y s t e m 硫 签 . ， 第一幸绪 论 第一章 绪论 1 . 1 电 测量技术的发展 电测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。它是测量 学和电子 学相互结合的产物。电测量除具体运用电子科学的原理、方 法和设各对各种电量、电信号 及电路元器件的特性和参数进行测量外， 还可通过各种敏感元器件和传感装置对非电量进行测量，而且往往更 加方便、快捷、准确，有时是用其他测量方法所不能替代的。因此， 电测量不仅用于电学各专业，也广泛用于物理学、化学、光学、机械 学、材料学、生物学、医学等科学领域及生产、国防、交通、通讯、 商业贸易、生态环境保护乃至日常生活的各个方面 川。 在过去的一个世纪里， 源于科研、工农业生产甚至战争的需求，电 测量理论不断发展， 历经早期、 初期、中期和近期等四 个阶段 i2 在进入中期发展阶段前，电测量技术主要是以模拟测量为主。在 吸取电子技术、反馈技术等的成就和采用新材料、新工艺的基础上， 电 测量技术水平逐渐提高。特别是由于电测量技术木身的独特优点， 使其应用范围不断扩大;反过来，各领域不断提出的新需求，又成为 电测技术发展的直接动力。 2 0 世纪5 0 年代，数字电子技术和微计算机技术的引入，使电测技 术的发展加快，宏观上表现为，模拟式电测仪表开始逐渐在越来越多 的应用场合被数字式电测仪表及系统所取代。这一阶段，即数字电子 技术应用于电测量领域之初，对被测直流对象的测量，是先量化为恒 定电压值，再经电压/ 频率变换后进行计数:而随时间变化的量，则是 经过整流、滤波，转化成相应的直流量后再进行处理及显示。1 9 7 4年 出现的电压、电流波形等时间间隔采样技术，揭开了数字电子技术在 电测技术领域中作用日益增大的序幕，成为电测技术步入中期发展的 重要标志。这一阶段，以微计算机、独立操作系统、各种标准接口总 线式结构为特征，可相互通讯、可扩展式仪器和自 动测试系统以及相 应的测量技术得到了蓬勃发展，并逐渐走向成熟。2 0世纪 8 0年代中 期以来，电测技术则进入了迅猛发展的近期阶段。 在微电子技术和计算机技术的推动下， 电测量仪器不断进步湘继产 挤 .贾 第一章绪论 生了智能仪器、p c仪器、v x r戊,n、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微 机化仪器以相应水平的自 动测试系统。 1 . 2 电 测量技术的概况 1 . 2 . 1 电 测量理论与技术的 发展 、量子电基准 川 1 9 6 2年以前，用于保持和复现电压、电阻单位的是实物基准。但 随着科研和工业生产水平的提高，电压、电阻实物基准的稳定性己满 足不了要求，因为它们的材料化学结构会随着时间缓慢变化，日积月 累，这种变化会达到可观的数量。1 9 6 2年，英国物理学家约瑟夫森预 言一种新的物理现象，并很快被实验证实，从此称该现象为约瑟夫森 效应。基于约瑟夫森效应复现出的电压值不会随时间变化，故可作为 更高准确度的直流电压基准。由于这种电压基准出自 超导状态下的宏 观量子效应， 故被称为直流量子电压基准。 1 9 8 0 年， 德国科学家冯 克 里青发现了量子化霍尔效应。基于量子化霍尔效应复现出的直流电阻 值也具有仅取决于基本常数、不随时间改变的特性，于是取代实物电 阻基准，诞生了直流量子电阻基准。 约瑟夫森电压基准和量子化霍尔电阻基准相结合，便得到电流的 量子基准。有了电压、电阻和电流量子电基准，就不难导出电功率、 电能、阻抗以及各种磁学量的量子基准，从而形成一套完整的基于基 本物理常数的、优于过去实物基准的量子电基准系统。 二、模型化测量 14 1 、 ， 随着科学技术的发展，测量需求日 益增多，被测对象也越来越复 杂，尤其是许多测量需求己决不仅限于单参量或若干个参量简单组合 的数值结果，而是需要对被测对象做出状态估计、诊断或变化趋势分 析。为完成这类测量任务，既要掌握被测对象的运动规律，还要将其 规律以数学模型来表征。这类利用数学模型完成的测量被称为模型化 测量。 为实施模型化测量，不仅应根据先验知识和实验所得数据构建被 测对象运动特征的数学模型，还需要利用系统辨识的方法为实际测量 仪器系统建立数学模型，因为一个测试系统的静态和动态、噪声抑制 等性能的优劣，也是决定测量质量的重要指标。而智能测试系统的设 娜 z夏 第一章绪 论 计 16 1 ，正是借助人工智能技术即数学模型将解决测试系统实际存在问 题的各种有效方法调动起来，使测试系统不仅具备知识，还会学习和 推理，并能根据推理结果采取补偿等措施，从而使测试系统的性能和 可靠性得以改善。在仪器中引入人工智能以实现智能化测量，以成为 一种必然趋势。 三、电源技术 在所有电测量系统中，专用电源占据着十分重要的位置。作为电 测量系统中的电源，主要有参考电 源或信号源、校验用标准电源和专 用测量电源等。 参考电源又分直流参考电压源、直流电流标准源和交流参考电压 源，通常安装在仪器仪表内部。 校验用标准电源具体为校验用标准电压、电流、电功率、电能等 电源，它们被用于校验各种电测量仪器仪表。传统校表方式是将被校 表与标准表的读数直接作对比，以确定被校表指示值的误差。近 2 0年 来， 在不少低准确度级电表出厂校验场合，改用赋予被校表标准源提 供的标雕值的方法即以源校表的方法来判定误差阴 。如此可明显提高校 表的工作效率。 1 . 2 . 2 电 测量技术领域的拓展 一、在线 ( 原位)测量技术 在现代化工业生产中，大型设备能否正常运行关系重大，因此需 要定期进行检修，以确定其是否保持原有性能，或及早发现其可能发 生事故的先兆。但大型设备如离线校验，不但装卸和运输困难，影响 正常工作，且还将造成可观的经济损失。为克服离线检测的种种弊端， 近些年来用于校验各种大型设备的在线 ( 或称原位)测量技术从无到 有并不断进步。 以对相电流高达数万安培大容量三相发电机出口处电流互感器的 校验为例。为进行在线测量，人们研制出了 “ 打开式”标准电流互感 器，测量时，只需将其套在发电机出口的导线上，而不必卸装在该处 的被校电流互感器。对大容量发电机激磁回路的大电流分流器的检测 也可采用这种方法。在线测量甚至可在大型设备正常工作情况下实施， 如检测大功率整流设备的效率等。用于大型设备的在线测量技术不仅 第 3页 第一章绪论 具有方便实用的特点，且能明显降低测量费用。 二、 软测量技术 18 1 软测量技术是指对难以在线测量或不能测量的重要变量( 参数) 改 为选择另外一些容易测量的变量，利用系统辨识、状态估计、模式识 别、回归分析、 人工神经网络、小波变换等新的信号处理技术，经推 断和评估得到所需要的重要变量，即以软件处理来代替硬件仪器的一 类测量技术。例如，在炼钢过程中的结晶器漏钢预报和高炉炉衬厚度 检测等，都是运用计算机对埋设于结晶器或炉身的测温热电偶信号进 行处理，按特定模式推断得到结果，而非直接测量。对这样的测量技 术，在现代科学研究和工业生产自动化进程中以表现出越来越多的现 实需求。 三、电磁干扰测量技术 19 1 从 2 0世纪 5 0年代起，电力半导体器件技术和微电子技术飞速发 展，并迅速地向不断扩大的电气设备领域渗透，逐渐形成电力与电子 设备相结合甚至融为一体、强电和弱电交叉工作的局面，与此同时， 也造成电磁环境和电磁干扰问题日 趋复杂且日 益严重。为提高机电设 备，尤其是电子控制设备的抗电磁干扰性能，国内外对各种电磁干扰 进行了大量的调查，寻找到多种测量干扰量和提高抗干扰能力的方法， 研制开发出一些测试仪器，电磁干扰测量技术分支已 经形成 四、电能质量测量技术 1 1 0 1 近几十年来，依托电力电子技术发展起来的供电系统的各种负荷， 诸如变流装置、炼钢电弧炉和电力机车等，一方面，对工农业生产自 动化的水平、效率的提高推动巨大;另一方面，由于它们非线性、冲 击性以 及不平衡的用电 特性，也造成供电网的电压波形发生畸变 ( 即 谐波含量增大) ，或引起电压波动和闪变以及三相不平衡，甚至导致系 统频率出现波动，使供电质量降低，影响电 力网和电工、通讯及电子 设备等的安全与经济运行。对电能质量的监督，有赖于准确可靠的测 量仪器和科学合理的测量方法。由于电网中各元器件在不同频率下所 呈现的阻抗特性难以准确表达，且电网中大量不同谐波源的等值合成 较难处理，即仅通过计算难以获得电网谐波的准确参数，而必须进行 实际测量。为此，人们研制开发出了大量相关仪表，如谐波分析仪， 娜 4页 第一章绪论 m波电压表、电流表，闪变仪等。集测量谐波、电压波动和闪变、三 相不平衡和额谐波阻抗等于一体的多功能微机化仪器更受青睐。对电 能质量问题的研究，还极大地促进了数据采集等多种测量方法的发展 和丰富，电能质量测量技术是电测量领域的重要分支。 1 . 2 .3 测量观念的拓展 一、电测量与非电测量 长期的测量实践表明，电磁现象及其规律不仅能对电或磁的测量 提供多种多样的手段，并且可扩展到几乎所有非电磁的领域，其中， 电测技术尤为突出。近几十年的发展变化表现出，电测技术紧紧依托 于微计算机、自动控制、微电子和现代通讯等技术的飞速进步而迅猛 发展，在几乎所有测量领域中发挥着越来越多的作用。非电量的电测 技术和自动测试技术的从无到有并己成为最活跃的测量技术分支就说 明了这一点。今天，因为各种传感器的出现和日 益完善，己使得非电 量测量与电 量测量几乎就是一回事。 二、 ) 义的 测量 ( 测试) 概念n n 现代科学技术的发展，多学科技术的交叉与融合，管理工作的计 算机化和网络化，使传统的测量、测试过程、测量目的、测试结果管 理等观念均发生了改变。测试、数据采集、控制三者之间的界限己 模 糊不清;测量、维护、诊断、修理、数据处理/ 管理一体化的需求日益 迫切;对测试的现场化、远地化、网络化的要求不断升温;自 校准、 自 诊断和自 估计也己 成为评定测试系统性能的必备指标。 三、测量定义的拓宽- 一 符号化测量 12 1 人们不断增长的对具有不确定性，或时变性，或非线性，或兼而 有这些特征的系统的征服欲望，在计算机技术的强劲推动下，通过测 量与控制的高度融合及相互渗透逐渐得到满足;通过状态监测、系统 可控性判别、状态预测、智能控制、模式识别、对不可直接测量对象 的测量、对特殊预知对象的测量以及信号滤波等，传统意义上的测量 的含义、目的和作用等均得到了丰富和拓展。与此同时，对被测对象 的描述和表示，也根据实际的需要从传统的数值加带方向的误差值扩 展为可由自 然语言以及高度抽象的文字或符号来表征。 第 ，贾 第一章绪论 四、电 测量技术与自 动控制技术的融合 现代化工业、农业和与人民生活水平改善密切相关的一切生产领 域其自 动化程度越来越高的保障，就是实时、准确、可靠的测量支撑 下 的控制。当今，电测量技术与自 动控制技术结合得越来越紧密，不 仅测最为控制提供了更准确可靠的信息，而日 _ 控制不断为测.n的发展 注入新的活力。 1 . 2 . 4 电 测量的 前沿技术 113 1 虚拟仪器 ( v ir t u a l i n t r u m e n t s简称 v 1 ) 和卡泰仪器 ( c o m p u t e r a c q u is i t i o n t e s t a n a ly s is i n s t r u m e n t s 简 称c a t a i ) - - 一 计 算 机采集 测试 分析仪器是电测量技术的前沿技术，虚拟仪器将计算机采集测试分析 引入到电测量领域，用数字化和软件技术极大地提高了测量的灵活性 和可扩充性。 虚拟仪器口 仪 ) 和卡泰仪器( c a t a i ) 技术发展非常迅速， 是目 前国内 外测试技术界和仪器制造界十分关注的热点话题。所有的测量仪器主 要功能可由 数据测试和分析数据采集结果输出显示等三大部分 组成，其中数据分析和结果输出完全可山基于计算机的软件系统来完 成，因此，只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成山计算机组 成的测量仪器。 虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功 能完全不同的各种测量仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可 以定义各种仪器，因此可以说 “ 软件即仪器” 。 虚拟仪器 ( v 1 ) 和卡泰 ( c a t a i) 测试系统的构成框图。 各 种 功 能软件 计算机及附件 a / d采集卡 和 d / a卡 传感器 + 前 置抗混滤波调 理放大器 图1 - 1 v i 和p c c a t a i 的构成示意图 第 6顶 e 第一章绪论 iie 拟仪器的发展随微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类 型。 第 一 类 p c总线一 插 卜 型虚拟仪器; 第二类 并行口式虚拟仪器; 第三类 g p i b总线方式的虚拟仪器; 第四类 v x i 总线方式虚拟仪器; 第五类 p x i 总线方式的虚拟仪器。 总之，上述理论与方法是电测量技术的基本理论方法，不同方法 与系统，适用于不同的测量领域。 1 . 3 本论文的主要内容 1 . 3 . 1 问题的提出 木文论述应用电测量技术中的虚拟仪器 ( v i )技术对三维编织复 合材料预制件厚度进行测量。 复合材料是指由增强相、基体相与填料 一通过人工复合工艺制造的 具有多 相亚微观结构的、有特殊性能的新型材料系统 刁 。 复合材料三维整体异型编织技术是二十1 11. 纪八十年代发展起来的 高 新纺织技术 5 。由 于采用三维编织方法制造的 构件具有强度高、刚 度高、抗冲击、综合力学性能好等独特优点，使其在航空航天，交通 运输，石油化工，武器装备，体育用品及医疗等诸多领域得到了广泛 的应用。 一般把用纺织方法所形成的织物，并且在纺织复合材料中作为增 强相的称为预制件 ( p r e f o r m ) 。目前，制作三维预制件的纺织技术主 要包括:机织、针织、编织、铺层、缝合和三向正交 ( 非机织)等方 法。 三维整体异型编织复合材料是一种新型高级纺织复合材料. 其主要 突出的特点是: 一、纤维在预制件中相互交织，多方向取向，从而形成一个完全整体 的结构，使预制件在各个方向上得到增强，从而完全避免了传统 复合材料的分层现象。三维编织结构复合材料具有质轻、不分层、 比强度高、比刚度高、抗冲击、基体损伤不易扩展、综合力学性 能好，以及耐烧蚀等独特优点。 第 ，贾 第一章绪论 二、可以直接编织出各种形状、不同尺寸的三维整体异型预制件。例 如二维格休厚壁圆竹,圆杜休、锥套休、工型梁、 t 型梁、 l 型梁、 i i 型梁、盒型梁等。用其制成的复合材料制件不需再加工，避免 了加工造成的纤维损伤。 共、可以用各种高性能纤维，如:碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、 芳纶纤维、玻璃纤维等以 及普通纤维进行编织。 四、它是航空、航天、兵器、汽车、船只等部门中为提高重要部件的 j性能所急需的理想材料。 编织复合材料是由纤维依靠编织手段做成预制件，然后再经化学 复合得到所需要的材料。碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温炭化 而成的纤维状炭化物 们 。由于碳纤维具有高的比强度和高模量而受到 重视，被大量用作复合材料的增强材料。用碳纤维制成的树脂基复合 材料比模量比 钢和铝合金高5 倍，比强度也高3 倍以上，同时耐腐蚀、 耐热冲击、耐烧蚀性能均优越。因而在航空和航天工业中得到应用并 迅速发展。 三维编织物复合后的力学性能与编织物预制件厚度及其不匀有着 重要关系，但是目 前预制件的厚度测量还只能依靠手工检测。这样， 由于没有统一的度量标准和标准测量仪器，测量结果存在较大误差， 给这种高性能材料的研究与应用均带来了很大的不便。研究一种简单 实用的厚度测量系统显得格外重要. 为了解决这一问题，提高对碳纤维三维编织复合材料预制件厚度 测量的精度，统一度量标准，特就碳纤维复合材料预制件厚度的测量 作专题研究，制作专用测量仪器，根据研究结论及试验数据实现对碳 纤维复合材料预制件厚度的精确测量。这一工作为复合材料的物理性 能及力学性能分析提供了 准确的数据。 1 . 3 . 2 方案的选择 本课题根据其编织时模具的导电性和导磁性，对碳纤维三维编织 复合材料预制件进行厚度测量时，在测量系统中应用磁敏传感器一 霍 尔传感器， 这是对常规测厚方法的突破。因为碳纤维在断裂前是弹性 体，为了描述出其厚度和所受压力的关系，应用压力传感器反映预制 件所受压力。根据霍尔效应原理，知其霍尔状态变化之临界点为一与 拐 日更 第一章绪 论 被测物确定距离。测量时，先预置压力值，由步进电机推动传感器接 近待测预制件，直至压力传感器到达预置压力值停止。计算出从霍尔 传感器到达霍尔状态临界点到压力传感器到达预置压力值这 2个状态 间所行进距离。霍尔状态变化之临界点处与被测物确定距离与上述距 离之差值即为待测预制件厚度。系统的数据采集及传动控制均由微机 实现，属尸 c总线插卡型虚拟仪器。 1. 3 . 3 论文完成的 主要工作 在收集、分析国内外本领域学术动态基础上，根据碳纤维复合材 料预制件特点，确立了可行的方案，并作如下工作: 1 .根据待测预制件特性设计相应的测量系统，完成整个系统的设 备连接与软件编程工作。 2 .应用本系统对碳纤维三维编织复合材料预制件进行厚度初步测 量，设计相应实验，调整实用参数值。 3 ，应用本系统对碳纤维三维编织复合材料预制件进行厚度实际测 量，对测量结果进行分析，证明系统的可行性。 4 .应用本系统对玻璃纤维三维编织复合材料预制件进行厚度测 量，分析测量结果，可知，本系统同样可用于玻璃纤维三维编 织复合材料预制件厚度的测量。 5 .对现有碳纤维三维编织复合材料预制件测厚方案提出改进意 见。 本论文共分为四章，第一章绪论，第二章测厚系统的结构设计， 第三章测厚系统的软件实现，第四章测厚结果及分析。 1 . 3 . 4 论文的 主要创新点 1 .选用霍尔传感器这种磁敏传感器进行碳纤维三维编织复合材料 复合材料预制件的厚度测量工作，是复合材料测量领域的一次 创新。 2 .利用压力传感器标定测量时待测预制件所受压力，明确了碳纤 维三维编织复合材料预制件厚度的物理意义是在一定压力 值下的厚度。 3 .木测量系统属 p c总线插卡型虚拟仪器，在软件控制中引 入win d o w s 的多线程编程技术，有效提高了 系统的性能。 第 ，贾 韶 舀通 山 七、 上 第二章 测厚系 统的结构设计 第二章 测厚系统的结构设计 碳纤维三维编织复合材料预制件性能由其编织工艺和碳纤维材料 特性共同决定，根据此各项特性制定测量方案，选用各部分设备，做 出系统结构分析。 2 . 1 三维立体编织工艺过程 下维编织复合材料预制件是纤维与纤维之间连续交织形成的编织 物，不可层分。它的物理性能除与原料纤维特性有关， 还取决于 其三维 il 休编织 j 二 艺过程。( i s ( 简要介绍利川新型点维编织机进布 犷 四步法板状编织_ 1 _ 艺: 板状编织所用的编织机为方机，方机的行列数根据织物要求的尺 寸大小而定。图 2 - 1描述了以 o列 4行为例的四步法的 二 艺原理，它 显示了一根纱线在四个步骤中的运行过程，它们穿过的区域是织物的 断面。第一步，所有行线轴作水平运动，其中相邻行朝相反方向运动， 如图2 - 1 ( a ) 箭头所指方向 运动。第二步， 所有列线轴作垂直运动， 其中 k ll 邻列朝相反方向， 如图 2 - 1 ( b ) 箭头所指方向 运动。应当 注意，在第 一 步和第二步中， 编织机水平或垂直边缘的线轴是保持静止的，而运 动线轴只移动一 个位置。 单个线轴的 运动轨迹可以 标记 出 来， 以图2 - 1 ( a ) 中的 a . b线轴为例。第三步与第一步相似，只是相同行的运动方向 相反，即 所有行移回到第一步状态 见图2 - 1 ( c ) 。 第四步则是所有列移 回第二步状态 见图2 - 1 ( d ) . 至此，一个编织循环完成， 编织机又回 到循环的 初始状态， 只是单个线轴的 位置发生了 变化 见图2 - 1 ( e ) 。以 后重复这四个步骤，即可实现四步法编织。可以看出，纱线通过线轴 走了一个对角线路径，并从一个外表面穿到另一 个外表面，形成了一 利 ， 三维结构。 菊 1 0页 第二章 测厚系 统的结构设计 【 1 一 口 c 【 a二c r 生cr r j 【 1 卫曰r l二 【 1曰r 了1 飞 门r r) 图2 - 1三维编织四步法板状编织 _ 艺原理 表2 - 1 给出了三维编织复合材料的平而特性。 材钊 % 4oeti 14 纤维体 积含最 ( %) f0 1h 纵向 强度 ( m p a ) 横向 强度 ( m p a ) 纵向 模星 ( g p a ) 横向 模w ( g p a ) 平面剪切 模员 ( g p a ) lc 松 石果/ 4 1 )l t 树i i 14 vv %1= 编织 5 9士1 8 980/428 3 4 . 5 : ; 1 0 . 31 2 . 9 0 6 层状 5 9士】 88 5 . 51 1 . 01 6 . 51 . 1 5 四 步 编织 5 8士2 4 / 0 : 2 2 . 8 :一6/ 9 . 71 2 . 70 . 8 1 层状5 8士2 4 / 01 0 8 . 91 1 . 01 0 . 30 . 7 3 石 墨 / 芳纶环 9 l 树脂 两 步 编织 6 9士5 5 / 05 3 33 2 6 9士5 5 1 06 4 07 60 . 5 4 r i :1 0 6 / 9 3 . 1 表示拉仲时的强度 ( 模量) / 1 f . 缩时的张度 ( 模量) 表2 - 1 三 维编织复合材料的平 而特性 2 . 2 测试机理 三维编织复合材料预制件是围绕内部的模具，用三维编织技术编 织而成的织物，模具大多由金属制作。碳纤维具有导电性和导磁性， 经过大量的实验，选用霍尔传感器，对金属模具与碳纤维二者形成的 叠加磁场，产生霍尔效应。测量时，微机通过步进电机驱动器驱动电 机运行，电机通过齿轮、丝杠带动霍尔传感器向前运动，当霍尔传感 器运行到距离模具一定距离时，开关式霍尔传感器霍尔状态变为真， 挤 i 1贾 第 二章 测厚系 统的结 构设计 这时，微机开始记 录步进电机运行的步数，与此同时，计算机监测压 力传感器的月 、 力，当压力达到预置压力时，电机停止运行，计算机根 据系统的齿轮齿数比、丝杠的螺距、记录的步进电机运行步数，便能 计算出在某预置压力下，所测量的预制件的在线厚度。 2 . 3 系统配置 如图2 - 2 所示:木系统仪器设备山霍尔传感器、月 、 力传感器、微机 系统、输入/ 输出板、步进电动机及机械传动部分组成。 i .霍尔传感器 用于感应碳纤维与金属模板共同磁感应强度。 2 . 1 1 . 力传感器 ) ! i . 测ip . 测厚时预制件所受) ! ; 力值。 3 .微机系统 采用 i b m 或兼容机。 a .输入/ 输出板 微机内 i s a总线插槽上配接 m s - 4 2 0 2光隔离开关量输入输出板和 s c - 1 1 1 5 1 模入接口 板与外部设备通讯， 实现对外部数据的 采集与 控制。 其 中，光隔离开关量输入输出板开入信号 用于检测开关式霍尔传感器状 态，开出信号用于 控制步进电机驱动器，完成步进电 机前进、后退、 单步等动作。模入接口板即为 a / d转换器，用于采集压力传感器提供 的模拟压力数据，并将其转换为数字量。 5 .步进电 动机 用于带动测量系统各关键部件前进与后退。 第 1 2页 第二章 a ll 厚系 统的结构 设计 平 1 t 只 余属 ) 纤维 复 合 材料 顶制 图2 - 2 测量仪器示意图 2 . 4 系统功能 系统工作时，要求预置压力值，则其后所测量出的厚度值为此压 力值下的厚度。单次测量开始，微机写 1 / o板端口 控制步进电机驱动 电路，步进电机前进。步进电机前进时由其连接的齿轮带动丝杠向靠 近预制件方向移动。微机每发出一个脉冲，步进电机运转一步，丝杠 向前推进固定距离 尸 。丝杠头部为开关式霍尔传感器，霍尔传感器在 丝杠带动下向预制件靠近，微机通过外围电路读取霍尔传感器状态， 判别是否达到霍尔状态，若达到则从这一临界点开始计微机发出的脉 冲数，计数直至压力传感器到达先前预置压力值为止，记为m个脉冲。 则: 复合材料厚度= l - m x p ( 2 - 1 ) 其中， l为临界点处仪器测量头 ( 霍尔传感器头)到金属模板的距离。 第 1 3页 第二章 测厚系 统的结构设计 山l 式计算出厚度值。 2 . 5 测试机理分析 2 . 5 . 1 碳纤维特性 一 、概述 碳纤维是一种名副其实的 “ 细如蛛丝，强赛钢铁”的新型工程材 料 n 6 1 。不仅强度大，重量轻 ( 只比一般塑料重一点) ，而目 _ 弹性模员 也很高。此外，它还有耐高温，耐化学腐蚀，耐辐射，能导电，高温 热绝缘性好，反射中子射线能力强等优点。可用于制造电磁屏蔽材料、 电极材料、面状发热体和高温隔热材料、交通运输材料、碳纤维绳索 及建筑材料、音响器材等 1 1 7 1 碳纤维由有机纤维经高温炭化而成 ! 18 1早在 1 8 7 9年， e d i s o n曾 发明用碳纤维做电灯丝， 但直到 1 9 5 0年美国刁 制成了具有一定机械性 能的碳纤维，使碳纤维能够作为复合材料的增强材料，开始了碳纤维 发展的新阶段。目前碳纤维9 2 %以上主要用于复合材料。 表2 - 2 列出了碳纤维以及玻璃纤维的一些性能。 材料密度 / g c m _, 强度 / gp a 模量 / gp a 断裂伸长 率/( %) 熔点 /( c) 碳纤维 ( 高强度) 1 . 8 05 72 8 02 . 0 03 7 0 0 碳纤维 高模员) 1 . 8 0】 . 95 3 00 . 3 63 7 0 0 e玻璃纤维 2 . 5 53 . 47 2 . 44 . 7 0 1 7 2 5 s玻璃纤维 2 . 5 04 . 58 6 . 95 . 2 0 0 时， m与b同向， 这种磁介质 就是 顺磁 质;当g o i讨 ， m与b 反向， 这种 磁介 质就是 抗磁 质。 2 顺磁性与 抗磁性 顺磁性和抗磁性由磁介质的微观结构决定，其严格理论必须借助 于量子力学。磁介质分子分为两种类型。第一类中，各电子磁矩不完 全抵消，整个分子存在固有磁矩。第二类分子各电子磁矩互相抵消， 分子固有磁矩为零。 与顺磁性不同，抗磁性存在于一切磁介质中，只是由于顺磁质中 的顺磁性比抗磁性强，所以刁 成为顺磁质。 顺磁质一定是分子固有磁矩不为零的媒质。钠、铝、碳、锰、铬、 硫酸铜、氧、一氧化氮及空气等都是顺磁质。 3. 铁磁性与铁磁质 铁磁质是一种性能特异、用途广泛的磁介质。铁、钻、镍及其许 多合金以及含铁的氧化物都属于铁磁质。 在本系统中，金属模具为铁磁质。碳纤维为顺磁质，导磁率与金 属铝相同。 第 1 6页 第二章 测厚系 统的结构设计 一 、霍尔元件的特性 ! .结构原理 如图2 - 4 所示的长 方体半导体薄片称霍尔片。若霍尔片的x轴方向 通过控制电流i c ， : 轴方向通过磁感应强度为b的磁场，则载流子受垂 直于i c 和洛伦兹力的作用而向y轴方向 偏转， 从而使霍尔片垂直 几 y 轴方向的两侧面间产生电位差 v i i 。这种现象称霍尔效应，v h称霍尔 电 压2 11 图2 - 4霍尔器件结构原理图 若图2 - 4中所示的霍尔片是温度均匀的n 型均匀半导体，并且所有 载流子电子的漂移速度相等，则通过霍尔片的电流密度为 j , = g n l i e 一 b , j x b ( 2 - 3 ) 式中q - - - - - - 一 电 子电 荷 量; i i n . i t i h ，一分别是电子漂移率和霖尔迁移率; e - - - - - 一 电场强度; n - - - - - 一 电子浓度。 式中右边第一项表示电场作用产生的漂移电流，第二项表示洛伦兹力 作用产生的横向漂移电流。 j ,， 在x 轴和_v 轴方向的分量为 i ll, = q n n , e : 一 p ill,去 i,b 大 ， = g n l t e ， 十 p im ,人 i., b ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 第 . ，页 第二章 测厚系 统的结构设计 当 输出 极开 路时， j n y = o ，故由 式( 2 - 4 ) 4 11 ( 2 - 5 ) 得 “ q n p , e s = _ 卫n n . j _ b g n 1 4 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 汽凡 e ) ， 称横向4 r . 尔电场。 v p*a p e 在小 应力时，电 阻 变化的比 率 ( a r / i ?) i if 表 示为 a r 4 l i a 。 _ 、 . a p / 4 l 了 一 = f t lv 1 , 一 一 / 一 丫一 i r o l o lp o zl a ( 2 - 1 7 ) 式中d l ao - - - - - - 一 金属的应变; 0 - - - - - - - 一泊松比。 ( 2 一 1 8 ) 配一lo 挤z 12 1页 第二章 测厚系 统的结构设计 则式( 2 - 1 8 ) 可改写成 、 二 竺儿。 十 2 (t ) + 坐庄 rp o / ( 2 - 1 9 ) 式， ，( l 十 z0 夕 乃p / p厂 可忽略: 一 形状效应导 致单位应变引起的电阻率变化; 一 单位应变引起的电 阻率变化，余属的p i p 。 很小 k - - 一 单位应变引起的电阻率变化，称应变片的灵敏度系 数。 3 .测量电路如图2 - 8 所示 输出 图2 - 8金属应变片压力传感器测量电 路 4 .型号 系统压力传感器选用应变片式压力传感器，型号 b l r - 1 0 ，其性能 指标为: 量 程为 o o n ; 精度小于0 . 5 % ; 满程 输出 为1 4 7 m v ; 工作桥压为1 2 v . 压力传感器输出端与 a / d转换卡相接，微机程序由a / d转换卡相 应地址端口读出压力传感器输出值转换后的数字值，如附录压力监控 线程。 为验证压力传感器的线性特性，用标准重量对传感器加重进行静 态实验， 得到表 2 - 3数据，并对数据作回归分析。 令载重量 x为自 变 幼 2 2贾 第二章 侧厚系 统的结构设计 一-. - -. 一一分 - 一 一 最:在x载重 微机采集计算的重量值 少为因变量，则回归方程为: y = a + b x o 载 重x ( 9 ) 0 . 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 输出y ( g ) 0 . 0 0 1 0 3 . 2 5 2 0 .5 . 0 3 0 2 . 7 4 01 石 5 0 2 . 3 载重x ( g ) 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 输出y ( 吕 ) 6 0 5 . 9 7 0 7 . 2 8 0 9 . 2 9 0 9 . 8 1 01 0 . 3 1 2 2 0 . 1 载重x ( g ) 输出r ( g ) 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 2 4 0 0 2 5 0 0 1 4 1 0 刃 1 6 0 9 3 1 8 1 9 . 7 2 0 1 0 . 8 2 41 0 2 2 5 2 1 . 4 表2 - 3对几夕 j 传 感器标定数据 根据最小二乘法，回归方程系数a , b及相关系数 r分别定义为 12 3 1 . ( 2 - 2 0) a=v 一b x ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 根据式( 2 - 2 0 ) 、 式( 2 - 2 1 ) 、 式( 2 - 2 2 ) 得到回归方程为: y = 0 . 0 7 5 + 1 . 0 1 2 x o 近似地 写作: y = x , r = 0 . 9 9 9 9 9 6 0 由于相关系数趋近于1 ，因而验证压力传感器具有很好的线性性。 2 .5 .4 步进电 动机的应用 一、步进电机的选用 系统中，对复合材料预制件的加压，是用步进电机逐步进行的，步 进电机的性能是保证测量精度的关键，系统中选用 7 0 b f 2 - 3型步进电 动机，性能指标与工作参数为: 1 .工作电压为2 7 v , 菊2 3贾 第二章 测厚系统的结构设计 2 . 1 _ 作电流为3 a ; 3 .转距为 0 . 1 4 7 x1 0 一 n ， ， ， ; i .步距角为了 度八5 度: 5 . # l 数为3 相。 三 飞 、步进电机驱动电路 选用单电压驱动