CN105021927B - 碳纤维复合材料层合板小电流伏安特性的测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维复合材料层合板小电流伏安特性的改进型三电极测量方法及测量装置。测量装置包括上升速率可调直流电源、限流电阻、电压取样单元与计算机测控与分析单元。可调直流电源的输出由计算机通过D/A数模转换器控制，电压取样单元的三个电压传感器的输出通过12或16位高分辨率的A/D模数采集单元，碳纤维复合材料层合板的体电阻可以通过取样电阻和三个电压传感器测得的电压值计算获得。通过计算机控制改变可调直流电源的电压输出就可以获得一组被试品两端的电压与通过的电流值和被测试碳纤维复合材料层合板的面电流，从而获得被试碳纤维复合材料层合板直流小电流下的伏安特性曲线及非线性系数，同时也可以获得碳纤维复合材料层合板的体电阻和面电阻的特性。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料层合板小电流伏安特性的测量，特别涉及航空航天用碳纤维复合材料层合板小电流伏安特性的测量方法及测量装置。
背景技术
碳纤维复合材料既具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀等特性，又具有纺织纤维的柔软可加工性，广泛应用于航空航天、军事及民用工业等各个领域。随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技术的进步，碳纤维增强型聚合物复合材料CFRP(CarbonFiber Reinforced Polymers)在大型民用飞机、军用飞机、无人机及隐形飞机上的用量不断增长，从1960年麦道公司DC-9机型上CFRP的用量不足1％，到2011年末波音B787的主翼、尾翼、机体、地板等结构的50％用的是CFRP材料，预计2014年中期投入运行的空客A350XWA上CFRP材料所占的比例达到53％。
相比较飞机中传统使用的铝、钢和钛合金材料，CFRP的电传导性能差。一般来讲，CFRP层合板经向方向的电阻率为10-5Ω·m量级、横向平面方向的电阻率为10-1Ω·m量级、深度/厚度方向的电阻率更大。这就使得CFRP层合板在雷击情况下无法像金属材料那样具有短时间使积累的电荷迅速转移或扩散的能力，这部分积聚的能量以焦耳热的形式使得CFRP温度急剧升高，从而导致CFRP的纤维断裂、树脂热解、深度分层等严重损伤。
自CFRP问世以来，诸多学者就将研究热点集中在其机械特性的研究方面，得出了机械冲击参量与CFRP的抗拉伸强度、抗压缩强度及损伤区域和损伤深度之间的关系规律。但是，雷电对飞机的直接效应包含着大电流引发的高压冲击波、磁场力及焦耳热效应，因此，雷电对碳纤维复合材料层合板的雷击损伤作用与机械冲击损伤存在着巨大差异。美国机动工程师协会SAE、美国军用标准MIL STD和欧洲民航组织EUROCAE对飞机及其部件的雷电直接效应的试验波形和试验方法做了详细规定，但碳纤维复合材料层合板雷电直接效应的试验波形和试验方法并未作出规定。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料层合板小电流伏安特性的测量方法及测量装置，克服现有固体绝缘材料三电极测试方法不能准确测量半导电型碳纤维复合材料的体电阻和面电阻的显著缺陷，可以获得碳纤维复合材料层合板在直流小电流区域的非线性伏安特性，同时还可以获得碳纤维复合材料的体电阻特性，为碳纤维复合材料层合板雷电直接效应的试验波形和试验方法的制定提供依据。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的装置包括可调直流电源以及设置在可调直流电源高压输出端的限流电阻，限流电阻的另一端通过圆盘电极A与被试碳纤维复合材料层合板的一端面连接，被测试碳纤维复合材料层合板的另一端与圆柱电极B相连；在圆柱电极B的外侧还设计有与被试碳纤维复合材料层合板相连的圆环形电极C，圆柱电极B通过第一电阻R1接可调直流电源的低压端并接参考地，圆环形电极C通过第二电阻R2与可调直流电源的低压端相连并接参考地，在圆柱形电极B与参考地之间接有第一电压传感器；在圆盘电极B与参考地之间接有第二电压传感器，在圆环形电极C与参考地之间接有第三电压传感器，第一、第二、第三电压传感器组成的电压取样单元的输出接计算机测控与分析单元。
所述的计算机测控与分析单元包括依次相连的A/D模数转换器、计算机和D/A数模转换器，A/D模数转换器接收来自第一、第二、第三电压传感器的信号，并将接收到的模拟信号转变成数字信号后传递给计算机，经计算得到通过被试碳纤维复合材料层合板的电流信号和两端的电压信号和面电流信号，同时，D/A数模转换器输出模拟信号控制可调直流电源的输出电压。
本发明的测量方法，包括以下步骤：
1)将被试碳纤维复合材料层合板安装在圆盘电极A与圆柱电极B、圆环形电极C之间；
2)在计算机人机交互显示界面上输入碳纤维复合材料层合板直流小电流伏安特性的实验参数，包括起始电流值或最小I1、终止电流值In、电流级差ΔI即两个电流等级之间的差值、限流电阻的阻值以及可调直流电源输出电压的上升速率v；
3)计算机测控与分析单元按照事先设定的电压上升速率v，通过计算机测控与分析单元的D/A数模转换器输出相应的模拟电压值至可调直流电源的输入端，当通过被测试品碳纤维复合材料的电流达到预先设定的初始电流值I1时，停止升压，并将此时对应的电压取样单元的第一、第二、第三电压传感器的模拟量通过计算机测控与分析单元的A/D模数转换器进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元的计算机进行数据分析，得到初始电流I1及对应的被测试碳纤维复合材料层合板两端的电压U1和被测试碳纤维复合材料层合板(3)的面电流Is1；
4)继续通过计算机测控与分析单元的D/A数模转换器输出控制使可调直流电源1的输出电压升高，使得通过被试碳纤维复合材料层合板的电流达到(I1+ΔI)时，停止升压，并将此时第一、第二电压传感器的模拟量通过计算机测控与分析单元的A/D模数转换器进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元的计算机进行数据分析，得到电流I2(+ΔI)及对应的被试碳纤维复合材料层合板两端的电压U2和被测试碳纤维复合材料层合板(3)的面电流Is2；
5)重复步骤4)直到通过被试碳纤维复合材料层合板的电流达到In和被测试碳纤维复合材料层合板(3)的面电流Isn为止；
6)将得到的一组电流-电压值(I1，U1)、(I2，U2)……(In，Un)连接起来得到被试碳纤维复合材料层合板直流小电流下的伏安特性曲线；
7)根据得到的一组电流-电压值(I1，U1)、(I2，U2)……(In，Un)，采用数值拟合方法得到被试碳纤维复合材料层合板的电压-电流(伏-安)关系表达式。
本发明具有以下有益效果：
本发明的可调直流电源的输出由计算机测控与分析单元通过D/A数模转换器控制，三个电压传感器的输出通过12或16位高分辨率的A/D模数采集单元，通过被试碳纤维复合材料层合板的电流为电压传感器上的电压除以电阻R1阻值，电压传感器测得的电压差即为被试碳纤维复合材料层合板两端的电压。通过计算机测控与分析单元改变可调直流电源的电压输出就可以获得一组被试碳纤维复合材料层合板两端的电压与通过的电流值，从而获得被试碳纤维复合材料层合板直流小电流下的伏安特性曲线及非线性系数。
附图说明
图1是本发明的航空航天用碳纤维复合材料层合板小电流特性的三电极测试方法和测试装置的组成框图；
图2是本发明的航空航天用碳纤维复合材料层合板小电流特性的三电极测试方法和测试装置的计算机测控与分析单元组成框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，本发明的测试装置可调直流电源1以及设置在可调直流电源1高压输出端的限流电阻2，限流电阻2的另一端通过圆盘电极A与被试碳纤维复合材料层合板3的一端面连接，被测试碳纤维复合材料层合板3的另一端与圆柱电极B相连；在圆柱电极B的外侧还设计有与被试碳纤维复合材料层合板3相连的圆环形电极C，圆柱电极B通过第一电阻R1接可调直流电源1的低压端并接参考地，圆环形电极C通过第二电阻R2与可调直流电源1的低压端相连并接参考地，在圆柱形电极B与参考地之间接有第一电压传感器8；在圆盘电极B与参考地之间接有第二电压传感器6，在圆环形电极C与参考地之间接有第三电压传感器7，第一、第二和第三电压传感器8、7、6组成的电压取样单元的输出接计算机测控与分析单元5。
参见图2，本发明计算机测控与分析单元5包括依次相连的A/D模数转换器9、计算机10和D/A数模转换器11，A/D模数转换器9接收来自第一、第二电压传感器8、6的信号，并将接收到的模拟信号转变成数字信号后传递给计算机10，经计算得到通过被试碳纤维复合材料层合板3的电流信号和两端的电压信号，同时，D/A数模转换器11输出模拟信号控制可调直流电源1的输出电压。
本发明的测量方法如下：
1)将被试碳纤维复合材料层合板3安装在圆盘电极A与圆柱电极B、圆环形电极C之间；
2)在计算机人机交互显示界面上输入碳纤维复合材料层合板3直流小电流伏安特性的实验参数，包括起始电流值或最小I1(如0.01mA)、终止电流值In(如1A)、电流级差ΔI即两个电流等级之间的差值、限流电阻2的阻值以及可调直流电源输出电压的上升速率v；
3)计算机测控与分析单元5按照事先设定的电压上升速率v，通过计算机测控与分析单元5的D/A数模转换器输出相应的模拟电压值至可调直流电源1的输入端，当通过被测试品碳纤维复合材料3的电流达到预先设定的初始电流值I1时，停止升压，并将此时对应的电压取样单元4的第一、第二电压传感器8、6的模拟量通过计算机测控与分析单元5的A/D模数转换器进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元4的计算机进行数据分析，得到初始电流I1及对应的被测试碳纤维复合材料层合板3两端的电压U1和被测试碳纤维复合材料层合板(3)的面电流Is1；
4)继续通过计算机测控与分析单元5的D/A数模转换器输出控制使可调直流电源1的输出电压升高，使得通过被试碳纤维复合材料层合板3的电流达到(I1+ΔI)时，停止升压，并将此时第一、第二电压传感器8、6的模拟量通过计算机测控与分析单元5的A/D模数转换器进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元5的计算机进行数据分析，得到电流I2(+ΔI)及对应的被试碳纤维复合材料层合板3两端的电压U2和被测试碳纤维复合材料层合板(3)的面电流Is2；
5)重复步骤4)直到通过被试碳纤维复合材料层合板3的电流达到In和被测试碳纤维复合材料层合板(3)的面电流Isn为止；
6)将得到的一组电流-电压值(I1，U1)、(I2，U2)……(In，Un)连接起来得到被试碳纤维复合材料层合板3直流小电流下的伏安特性曲线；
7)根据得到的一组电流-电压值(I1，U1)、(I2，U2)……(In，Un)，采用数值拟合方法得到被试碳纤维复合材料层合板3的电压-电流(伏-安)关系表达式。
Claims (3)
1.碳纤维复合材料层合板小电流伏安特性的测量装置，其特征在于：包括可调直流电源(1)以及设置在可调直流电源(1)高压输出端的限流电阻(2)，限流电阻(2)的另一端通过圆盘电极A与被试碳纤维复合材料层合板(3)的一端面连接，被试碳纤维复合材料层合板(3)的另一端与圆柱电极B相连；在圆柱电极B的外侧还设计有与被试碳纤维复合材料层合板(3)相连的圆环形电极C，圆柱电极B通过第一电阻R1接可调直流电源(1)的低压端并接参考地，圆环形电极C通过第二电阻R2与可调直流电源(1)的低压端相连并接参考地，在圆柱形电极B与参考地之间接有第一电压传感器(8)；在圆盘电极A与参考地之间接有第二电压传感器(6)，在圆环形电极C与参考地之间接有第三电压传感器(7)，第一、第二、第三电压传感器(8、6、7)组成的电压取样单元的输出接计算机测控与分析单元(5)。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料层合板小电流伏安特性的测量装置，其特征在于：所述的计算机测控与分析单元(5)包括依次相连的A/D模数转换器(9)、计算机(10)和数模D/A转换器(11)，A/D模数转换器(9)接收来自第一、第二、第三电压传感器(8、6、7)的信号，并将接收到的模拟信号转变成数字信号后传递给计算机(10)，经计算得到通过被试碳纤维复合材料层合板(3)的电流信号和两端的电压信号以及碳纤维复合材料层合板的面电流特性，同时，D/A数模转换器(11)输出模拟信号控制可调直流电源(1)的输出电压。
3.一种如权利要求1所述的碳纤维复合材料层合板小电流伏安特性的测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将被试碳纤维复合材料层合板(3)安装在圆盘电极A与圆柱电极B、圆环形电极C之间；
2)在计算机人机交互显示界面上输入碳纤维复合材料层合板(3)直流小电流伏安特性的实验参数，包括起始电流值或最小电流值I1、终止电流值In、电流级差ΔI即两个电流等级之间的差值、限流电阻(2)的阻值以及可调直流电源输出电压的上升速率v；
3)计算机测控与分析单元(5)按照事先设定的电压上升速率v，通过计算机测控与分析单元(5)的D/A数模转换器输出相应的模拟电压值至可调直流电源(1)的输入端，当通过被试碳纤维复合材料层合板(3)的电流达到预先设定的初始电流值I1时，停止升压，并将此时对应的电压取样单元(4)的第一、第二电压传感器(8、6)的模拟量通过计算机测控与分析单元(5)的A/D模数转换器进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元(5)的计算机进行数据分析，得到初始电流I1及对应的被试碳纤维复合材料层合板(3)两端的电压U1以及被试碳纤维复合材料层合板(3)的面电流Is1；
4)继续通过计算机测控与分析单元(5)的D/A数模转换器输出控制使可调直流电源(1)的输出电压升高，使得通过被试碳纤维复合材料层合板(3)的电流达到I1+ΔI时，停止升压，并将此时第一、第二、第三电压传感器(8、6、7)的模拟量通过计算机测控与分析单元(5)的A/D模数转换器进行数据采集，然后传给计算机测控与分析单元(5)的计算机进行数据分析，得到电流I2+ΔI及对应的被试碳纤维复合材料层合板(3)两端的电压U2以及被试碳纤维复合材料层合板(3)的面电流Is2；
5)重复步骤4)直到通过被试碳纤维复合材料层合板(3)的电流达到In和面电流Isn为止；
6)将得到的一组电流-电压值(I1，U1)、(I2，U2)……(In，Un)连接起来得到被试碳纤维复合材料层合板(3)直流小电流下的伏安特性曲线；
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