型智能悬臂梁传感特性及应用研究

1、型智能悬臂梁传感特性及应用研究论文摘要：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 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aa+c段产生的线应变：如果碳纤维智能层贴在a=0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

2、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，那么按式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

3、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

4、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的循环加载比拟图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拟扁平，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说明，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那么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

5、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，那么，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205C，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。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

6、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屡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：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，那么为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：上式结果说明，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

7、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 10 20 30 40 50 60 电阻 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

8、，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，到达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说明：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

9、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1 陶宝祺. 智能材料结构.北京:国防工业出版社,1997.2 朱四荣,郑华升,李卓球. 树脂基搭接碳纤维智能层的力阻特性.复合材料学报,2021(6):111-155.4 周文松,李惠,欧进萍. 反复荷载作用下碳纤维复合材料力电性能试验研究. 功能材料. 2004(35):2227-22295 宋显辉,刘冬,吕泳,李卓球. 碳纤维树脂基复合材料的传感特性研究. 工程塑料应用,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