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）
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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20 5°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。 1/2 1 2 下一页 尾页 |
