《電阻應變式傳感器》課件

電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器是一種廣泛應用的傳感器，用于測量機械結構的應變、應力、壓力等物理量。這種傳感器利用材料的電阻變化與應變之間的關系進行測量。應變效應的基本原理材料變形當材料受到外力作用時，會發(fā)生變形，這種變形稱為應變。電阻變化金屬材料的電阻值會隨著材料的應變而變化，這種現(xiàn)象稱為應變效應。應變計原理電阻應變式傳感器正是利用這種現(xiàn)象，通過測量電阻變化來間接測量材料的應變。金屬應變計的基本結構金屬應變計通常由敏感元件、絕緣基底、引線和保護層等組成。敏感元件通常采用細長而薄的金屬箔或金屬絲，它可以直接粘貼在被測物體的表面。絕緣基底用來支撐敏感元件，并起到電絕緣的作用，通常采用聚酯薄膜、尼龍或聚酰亞胺等材料。引線用來連接敏感元件和外部電路，通常采用銅絲或鍍銀銅絲。保護層用來保護敏感元件，防止其受到環(huán)境的影響，通常采用環(huán)氧樹脂或聚氨酯等材料。金屬應變計的特性靈敏度金屬應變計靈敏度較高，對微小的應變變化敏感，適用于高精度測量。穩(wěn)定性金屬應變計具有良好的重復性和穩(wěn)定性，長期使用性能穩(wěn)定。線性度應變計的輸出電壓與應變呈線性關系，方便數(shù)據(jù)處理。溫度系數(shù)金屬應變計溫度系數(shù)較小，對環(huán)境溫度變化的敏感度低。金屬應變計的分類箔式應變計箔式應變計是通過蝕刻工藝制成的薄箔，具有靈敏度高、尺寸小、重量輕等優(yōu)點。絲式應變計絲式應變計使用細金屬絲繞制而成，具有良好的耐高溫性和穩(wěn)定性。印刷式應變計印刷式應變計使用印刷技術將應變敏感材料印刷在基底上，具有成本低、制作效率高等特點。半導體應變計的基本原理壓阻效應半導體材料的電阻率會隨其應變而發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。半導體應變計利用壓阻效應，通過測量其電阻變化來間接測量應變。晶體結構半導體應變計通常采用單晶硅或鍺等材料制成，其晶體結構具有各向異性。當材料受到應變時，其晶格結構會發(fā)生畸變，導致電阻率發(fā)生變化。半導體應變計的特性靈敏度高半導體應變計的靈敏度遠高于金屬應變計，能夠測量微小的應變變化。尺寸小巧半導體應變計體積小巧，便于安裝在狹小的空間，適用于有限空間的測量。響應速度快半導體應變計的響應速度快，可以準確地測量動態(tài)應變變化?？蛊谛詮姲雽w應變計抗疲勞性強，可以長期使用在惡劣的環(huán)境中。半導體應變計的分類硅片應變計硅片應變計以單晶硅為敏感元件，具有高靈敏度和低溫漂的特點。薄膜應變計薄膜應變計通過在基底上沉積薄膜制成，適用于微小結構的應變測量。集成應變計集成應變計將應變敏感元件與其他電子器件集成在同一芯片上，具有小型化和高集成度的特點。筏式應變計的特點筏式應變計是由多個獨立的應變計組成的，它們被安裝在一個共同的基底上。這種設計增強了其測量精度，能夠有效地減少測量誤差，特別是在測量較大應變時。此外，筏式應變計可以提供更全面的應變信息，它能識別出不同方向上的應變變化，從而為工程師提供更準確的應力分析數(shù)據(jù)。橋式應變計電路橋式應變計電路是測量應變信號最常用的電路。它由四個應變計組成，并連接成一個惠斯通電橋。當應變計受到應變作用時，其電阻會發(fā)生變化，導致電橋失衡。通過測量電橋的輸出電壓，可以得到應變的大小。應變計的安裝方式1直接粘貼直接粘貼是常用的安裝方式，通過粘合劑將應變計固定在測試件表面。這種方式簡單易行，但需要選擇合適的粘合劑，并注意粘貼面積、溫度、濕度等因素的影響。2螺栓固定對于較大尺寸的測試件，可以采用螺栓固定方式，將應變計固定在測試件上，并通過螺栓施加壓力，確保緊密接觸。3嵌入式安裝嵌入式安裝方式需要在測試件上預留安裝孔，并將應變計嵌入其中。這種方式可以提高應變計的穩(wěn)定性，但需要更高的精度和專業(yè)技能。應變計的測量誤差應變計的測量誤差主要來自以下幾個方面：應變計本身的誤差、安裝誤差、環(huán)境因素的影響、信號處理誤差等。應變計本身的誤差包括零點漂移、靈敏度誤差、非線性誤差等，這些誤差可以通過校準和補償來減小。安裝誤差包括應變計的粘貼位置、粘貼方法、粘貼強度等，這些誤差可以通過嚴格的安裝規(guī)范和操作來控制。環(huán)境因素的影響包括溫度、濕度、振動等，這些誤差可以通過選擇合適的應變計類型、采取溫度補償措施、進行振動隔離等方法來降低。信號處理誤差包括放大器誤差、濾波器誤差、數(shù)據(jù)采集誤差等，這些誤差可以通過選用高精度儀器、優(yōu)化信號處理算法來減小。應變計的溫度補償11.溫度影響溫度變化會導致應變計的電阻發(fā)生變化,影響測量精度.22.補償方法常用方法包括溫度補償電路和使用溫度穩(wěn)定性高的材料.33.補償電路補償電路通過模擬應變計電阻隨溫度變化的特點來抵消溫度影響.44.材料選擇選擇具有低溫漂系數(shù)的應變計材料可以有效降低溫度的影響.應變計信號調(diào)理電路放大電路應變計輸出的信號微弱，需要放大電路將其放大至可測量的范圍。放大電路通常采用差分放大器，可以有效抑制噪聲，提高信號信噪比。濾波電路應變計信號中往往含有噪聲，需要濾波電路來消除噪聲。濾波電路可以采用低通濾波器，濾除高頻噪聲，保留低頻信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路應變計信號通常為模擬信號，需要模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以采用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，保證信號的精度。數(shù)據(jù)采集與處理電路數(shù)據(jù)采集與處理電路用于采集和處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集與處理電路可以采用微處理器或單片機，進行數(shù)據(jù)存儲、分析和顯示。應變測量系統(tǒng)的組成應變傳感器應變傳感器是應變測量系統(tǒng)的心臟，它將機械應變轉(zhuǎn)換為電信號。信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路放大、濾波和轉(zhuǎn)換應變傳感器輸出的微弱信號，使其能夠被后續(xù)設備處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號調(diào)理電路輸出的信號數(shù)字化并存儲，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)基礎。數(shù)據(jù)處理軟件數(shù)據(jù)處理軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行分析、處理和展示，得出應變測量結果。應變測量系統(tǒng)的工作原理應變信號的采集應變傳感器將應變轉(zhuǎn)換為電信號，由信號調(diào)理電路放大和濾波處理，得到可測量的電壓或電流信號。信號轉(zhuǎn)換與處理信號調(diào)理電路將應變信號轉(zhuǎn)換為與應變大小成比例的電壓或電流信號，進行放大和濾波，以便由測量儀器讀取。數(shù)據(jù)采集與分析應變測量系統(tǒng)通過采集數(shù)據(jù)，將應變信號轉(zhuǎn)換為應力或應變數(shù)值，并進行分析處理，以判斷材料的變形情況或結構的安全性。應變測量系統(tǒng)的校準1零點校準確保儀器在無應力狀態(tài)下顯示為零。2靈敏度校準確定傳感器輸出與應變之間的關系。3溫度校準校準溫度對傳感器靈敏度的影響。4校準記錄詳細記錄校準過程和結果。校準是確保應變測量系統(tǒng)準確可靠的關鍵步驟。通過校準，可以消除儀器誤差，確保測量結果的準確性和一致性。應變測量系統(tǒng)的標定標準應變使用已知應變值的標準件，如拉伸試樣，進行標定。應變計校準將應變計安裝在標準件上，測量其輸出電壓。標定曲線根據(jù)標準應變值和測量電壓，建立標定曲線。應變測量系統(tǒng)的標定方法零點標定通過施加已知負載或應變，校準傳感器輸出與實際應變之間的關系。靈敏度標定確定傳感器輸出信號變化量與對應輸入應變變化量之間的比例關系。溫度補償標定校正溫度變化對傳感器輸出的影響，確保測量結果的準確性。線性度標定驗證傳感器輸出與輸入應變之間的線性關系，確保測量結果的可靠性。應變測量系統(tǒng)的維護與保養(yǎng)11.定期清潔使用柔軟的布料和清潔劑清潔應變計和傳感器，防止灰塵和污垢影響測量精度。22.避免劇烈沖擊應避免對應變測量系統(tǒng)進行劇烈沖擊或振動，以防止傳感器損壞或性能下降。33.環(huán)境監(jiān)測定期監(jiān)測應變測量系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度、濕度和氣壓，確保其符合設備的運行要求。44.校準與標定定期對應變測量系統(tǒng)進行校準和標定，保證其測量結果的準確性和可靠性。應變測量系統(tǒng)的應用領域橋梁結構應變測量系統(tǒng)用于監(jiān)測橋梁結構的應力分布和變形情況，確保橋梁的安全性和穩(wěn)定性。建筑工程應變測量系統(tǒng)可以監(jiān)測建筑物在施工過程中的應力變化，評估結構的承載能力，并確保建筑物的安全。航空航天應變測量系統(tǒng)用于監(jiān)測飛機機身和機翼的應力變化，確保飛機的飛行安全和可靠性。醫(yī)療器械應變測量系統(tǒng)可以監(jiān)測醫(yī)療器械在使用過程中的應力變化，確保器械的安全性、可靠性和有效性。應用實例一:機械設備應變測量應變計可用于測量機械設備的應力狀態(tài)和變形情況，例如：發(fā)動機曲軸的應力齒輪的應力集中軸承的疲勞損傷壓力容器的應力分布應用實例二:工程結構應變測量應變測量在工程結構安全監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，可以監(jiān)測結構的應力狀態(tài)，判斷結構的承載能力，并及時發(fā)現(xiàn)潛在的結構安全問題。例如，橋梁、大壩、高層建筑、隧道等工程結構的安全監(jiān)測都離不開應變測量技術。應變測量技術可以有效地評估結構的健康狀況，為結構的維修保養(yǎng)提供依據(jù)，確保結構的長期安全穩(wěn)定。應用實例三:醫(yī)療器械應變測量應變計在醫(yī)療器械領域具有廣泛的應用，可用于測量人體器官和組織的應變，例如心臟、血管、肌肉、骨骼等。應變計可以用于評估醫(yī)療器械的安全性，例如人工關節(jié)、植入物、導管等。應用實例四:生物力學應變測量運動分析應變計用于測量人體運動過程中骨骼和肌肉的應力分布，了解人體運動機制。醫(yī)療診斷測量關節(jié)活動范圍和應力變化，輔助診斷骨骼和肌肉疾病，評估治療效果。假肢設計應變計用于評估假肢的設計和材料性能，確保假肢的穩(wěn)定性和舒適性。運動訓練應變計用于分析運動員的運動模式，優(yōu)化訓練方案，提高運動成績。應用實例五:智能材料應變測量智能材料是指能夠感知外界環(huán)境變化并做出相應響應的材料，如形狀記憶合金、壓電陶瓷、磁致伸縮材料等。應變測量技術在智能材料的研發(fā)和應用中發(fā)揮著重要作用，可以實時監(jiān)測材料的應變狀態(tài)，為材料性能評估和控制提供數(shù)據(jù)支撐。例如，在形狀記憶合金的應用中，應變計可以監(jiān)測合金在不同溫度下的應變變化，從而控制合金的形狀恢復和變形過程。在壓電陶瓷的應用中，應變計可以測量陶瓷材料在電場作用下的應變變化，從而評估陶瓷的壓電性能。應用實例六:航天航空應變測量航天航空器材承受巨大壓力，比如振動和溫度變化，它們對結構的完整性非常重要。應變計用來檢測結構的變形，并根據(jù)變形程度來判斷結構的強度和穩(wěn)定性。應變計還能幫助監(jiān)測關鍵部件的健康狀態(tài)，防止意外發(fā)生。比如，發(fā)動機、燃料箱、控制系統(tǒng)等關鍵部件的應變信息，可以幫助工程師實時監(jiān)控其性能和壽命，及時進行維護或更換，保障飛行安全。應用實例七:汽車工程應變測量汽車底盤應變測量應變測量技術可用于汽車底盤的結構強度分析，優(yōu)化設計，提高安全性。發(fā)動機應變分析發(fā)動機部件的應變測試有助于監(jiān)控工作狀態(tài)，預測潛在故障，提高可靠性。車身應力測試車身應力測試可以評估碰撞安全性，優(yōu)化材料選擇，提高乘坐舒適性。輪胎應變分析輪胎應變測試可以監(jiān)測輪胎壓力，評估胎面磨損，優(yōu)化輪胎設計。應用實例八:工業(yè)機器人應變測量工業(yè)機器人廣泛應用于各種制造領域，其關鍵部件的應變測量至關重要。應變計可以精確測量機器人的關節(jié)、臂桿和執(zhí)行機構等部件的應力分布，并進行