国外塑料光纤传感器对智能型SMA板变形控制研究
唐平1，黄晓霞1，夏敏2
【摘 要】摘要：对国外智能型形状记忆合金(SMA)板和塑料光纤(POF)传感器的设计过程进行了详细介绍，并用POF传感器对SMA蒙皮及碳纤维增强环氧树脂复合材料组成的金属纤维层压板(FML)的变形特性进行了测试。即通过一台光检测器监测POF传感器的输出，光检测器则连接到控制单元上。这种闭环式布置使操作者能够引入规定的梁设定点偏移值。控制单元一接通，即可得到智能型FML所需的偏移值，随后关闭，用POF硅加热器提供反馈信号，即可观察出SMA板的变形特性。 【期刊名称】工程塑料应用 【年(卷),期】2013(000)012 【总页数】3
【关键词】形状记忆合金；塑料光纤；传感器；智能装置；纤维金属层压板；变形特性
近年来，人们对飞机机翼和机翼的前后缘变形特点表现出越来越大的兴趣，以图在飞行过程中使空气动力形式得到显著改变。在传统的航空航天材料中，形状记忆合金(SMA)已得到广泛应用[1–4]。如用于拉F14战斗机中液压管接头密封，SMA作为力学执行器和刚性执行器控制运动和形状，很象机器的肌肉[5]。美国国防部和航空航天局研究的形状自适应结构和空气动力载荷控制，通过SMA致动器提高飞行器的机动性和升力。此项技术提高了飞机的生存能力并降低了阻力。
然而，应用SMA板材作为致动器，以及将其作为结构部件与高级复合材料相
结合的报道很少。但有报道称，在嵌入式纤维增强复合材料中引入超弹性SMA丝(未致动)，低速冲击条件下可减少主材的损伤[6–7]，但达不到致动的目的。国外提出将SMA薄板粘合到复合材料上形成预浸料坯，由此形成的材料系统称为智能型纤维金属层压板(FML)。与传统材料相比，它除了具有优越的结构特性外，还具备致动能力，同时显示出颇有吸引力的力学性能[8–9]。
为了测试FML的致动能力，国外采用一种强度型塑料光纤(POF)传感器，这种传感器可有效监视和控制嵌有SMA的先进复合式自适应机翼的状态[10–11]。 POF传感器附着在先进的复合梁主材表面，向控制器装置提供反馈信号，从而控制FML达到所需偏移必须具备的加热量，为使偏移达到更好的位置控制，将物理状态(即偏移)直接度量的梁作为反馈信号，这是温度控制单元默认的温度反馈信号。虽然SMA所处的温度与梁偏移有关，但由于SMA具有滞后性，这种关系表述出来并不容易。通过热电偶温度监控，可对SMA的物理反应提供一个间接测量值，而通过POF传感器监控偏移(或应变)本身，则给出梁直接而实时的物理反应，从而达到更精确的控制。
1 智能型SMA的研究
TiNi合金是SMA中用途最广的材料，是微机械驱动器的待选材料之一。要将TiNi SMA用于微机械系统，必须加工成很小尺寸。如果工艺控制得当，用轧制法可生产厚度在100 μm以下的薄板[1–2]，用薄板设计制作致动器和机械驱动元件时，研究者常常会考虑它的各向异性及变形特性。为了测试该SMA板的变形特性，国外某大学在研究过程中使用一块400 mm×55 mm×0.8 mm的TiNi合金板作为试样，并把试样卷成筒，然后在其内插入一根内径120 mm、厚5 mm、长55 mm的钢管[8–9]。在500℃的预热炉中加热试样，将热电偶
插入钢管和SMA试样板之间，以监控试样所承受的温度。将试样迅速升温，然后在水中淬火保持2 min，同时保持并限定在圆管里。循环处理三次，以确保应变得到明显的恢复。然后将碳纤维复合材料在125℃下固化1 h，再用环氧粘合剂粘贴到TiNi板材上。接着，通过一台薄硅加热器，用室温硫化粘合剂附着在板材表面，由此得到FML。
2 POF传感器的设计
利用POF制成的传感器具有石英光纤传感器所不具有的优势。POF具有较大的直径，因此耦合比较容易。此外，POF单位质量轻、抗化学药品腐蚀和力学性能好的优点使得其比石英光纤更适合作为传感器[9]。
图1为某单位研发的POF传感器示意图。传感器采用两根直径2.2 mm的聚甲基丙烯酸甲酯阶跃型多态光纤，外加聚乙烯护套。为了便于测试，将每根光纤的外套长度约20 mm的测量部分拆开，将光纤裸露部分插入到玻璃管两端对齐。将POF传感器装到FML梁时，其标距长度为80 mm。
3 测试装置的设计与测试过程
3．1 测试装置与测试原理
图2为测试装置示意图。测试中所使用的硅橡胶加热热器由一个以微处理器为主的温度控制器提供电源。控制器接上线，并进行配置，接受一个K型热电偶和一个0～5 V(直流)POF信号作为过程变量。这样，在控制器面板键上输入适当的参数即可进行操作。在试验过程中，将POF信号作为控制器的整个过程变量。控制器输出端口接上一台固态继电器，为硅橡胶加热器提供电能。最初，控制算法基于简单的开–关控制，后来引入了比例积分控制。
图2中，POF传感器是连接到FML表面，在SMA激活过程中(SMA卷曲到锻
国外塑料光纤传感器对智能型SMA板变形控制研究
