《电阻应变式传感器》课件

电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种广泛应用的传感器，用于测量机械结构的应变、应力、压力等物理量。这种传感器利用材料的电阻变化与应变之间的关系进行测量。应变效应的基本原理材料变形当材料受到外力作用时，会发生变形，这种变形称为应变。电阻变化金属材料的电阻值会随着材料的应变而变化，这种现象称为应变效应。应变计原理电阻应变式传感器正是利用这种现象，通过测量电阻变化来间接测量材料的应变。金属应变计的基本结构金属应变计通常由敏感元件、绝缘基底、引线和保护层等组成。敏感元件通常采用细长而薄的金属箔或金属丝，它可以直接粘贴在被测物体的表面。绝缘基底用来支撑敏感元件，并起到电绝缘的作用，通常采用聚酯薄膜、尼龙或聚酰亚胺等材料。引线用来连接敏感元件和外部电路，通常采用铜丝或镀银铜丝。保护层用来保护敏感元件，防止其受到环境的影响，通常采用环氧树脂或聚氨酯等材料。金属应变计的特性灵敏度金属应变计灵敏度较高，对微小的应变变化敏感，适用于高精度测量。稳定性金属应变计具有良好的重复性和稳定性，长期使用性能稳定。线性度应变计的输出电压与应变呈线性关系，方便数据处理。温度系数金属应变计温度系数较小，对环境温度变化的敏感度低。金属应变计的分类箔式应变计箔式应变计是通过蚀刻工艺制成的薄箔，具有灵敏度高、尺寸小、重量轻等优点。丝式应变计丝式应变计使用细金属丝绕制而成，具有良好的耐高温性和稳定性。印刷式应变计印刷式应变计使用印刷技术将应变敏感材料印刷在基底上，具有成本低、制作效率高等特点。半导体应变计的基本原理压阻效应半导体材料的电阻率会随其应变而发生变化，这种现象称为压阻效应。半导体应变计利用压阻效应，通过测量其电阻变化来间接测量应变。晶体结构半导体应变计通常采用单晶硅或锗等材料制成，其晶体结构具有各向异性。当材料受到应变时，其晶格结构会发生畸变，导致电阻率发生变化。半导体应变计的特性灵敏度高半导体应变计的灵敏度远高于金属应变计，能够测量微小的应变变化。尺寸小巧半导体应变计体积小巧，便于安装在狭小的空间，适用于有限空间的测量。响应速度快半导体应变计的响应速度快，可以准确地测量动态应变变化。抗疲劳性强半导体应变计抗疲劳性强，可以长期使用在恶劣的环境中。半导体应变计的分类硅片应变计硅片应变计以单晶硅为敏感元件，具有高灵敏度和低温漂的特点。薄膜应变计薄膜应变计通过在基底上沉积薄膜制成，适用于微小结构的应变测量。集成应变计集成应变计将应变敏感元件与其他电子器件集成在同一芯片上，具有小型化和高集成度的特点。筏式应变计的特点筏式应变计是由多个独立的应变计组成的，它们被安装在一个共同的基底上。这种设计增强了其测量精度，能够有效地减少测量误差，特别是在测量较大应变时。此外，筏式应变计可以提供更全面的应变信息，它能识别出不同方向上的应变变化，从而为工程师提供更准确的应力分析数据。桥式应变计电路桥式应变计电路是测量应变信号最常用的电路。它由四个应变计组成，并连接成一个惠斯通电桥。当应变计受到应变作用时，其电阻会发生变化，导致电桥失衡。通过测量电桥的输出电压，可以得到应变的大小。应变计的安装方式1直接粘贴直接粘贴是常用的安装方式，通过粘合剂将应变计固定在测试件表面。这种方式简单易行，但需要选择合适的粘合剂，并注意粘贴面积、温度、湿度等因素的影响。2螺栓固定对于较大尺寸的测试件，可以采用螺栓固定方式，将应变计固定在测试件上，并通过螺栓施加压力，确保紧密接触。3嵌入式安装嵌入式安装方式需要在测试件上预留安装孔，并将应变计嵌入其中。这种方式可以提高应变计的稳定性，但需要更高的精度和专业技能。应变计的测量误差应变计的测量误差主要来自以下几个方面：应变计本身的误差、安装误差、环境因素的影响、信号处理误差等。应变计本身的误差包括零点漂移、灵敏度误差、非线性误差等，这些误差可以通过校准和补偿来减小。安装误差包括应变计的粘贴位置、粘贴方法、粘贴强度等，这些误差可以通过严格的安装规范和操作来控制。环境因素的影响包括温度、湿度、振动等，这些误差可以通过选择合适的应变计类型、采取温度补偿措施、进行振动隔离等方法来降低。信号处理误差包括放大器误差、滤波器误差、数据采集误差等，这些误差可以通过选用高精度仪器、优化信号处理算法来减小。应变计的温度补偿11.温度影响温度变化会导致应变计的电阻发生变化,影响测量精度.22.补偿方法常用方法包括温度补偿电路和使用温度稳定性高的材料.33.补偿电路补偿电路通过模拟应变计电阻随温度变化的特点来抵消温度影响.44.材料选择选择具有低温漂系数的应变计材料可以有效降低温度的影响.应变计信号调理电路放大电路应变计输出的信号微弱，需要放大电路将其放大至可测量的范围。放大电路通常采用差分放大器，可以有效抑制噪声，提高信号信噪比。滤波电路应变计信号中往往含有噪声，需要滤波电路来消除噪声。滤波电路可以采用低通滤波器，滤除高频噪声，保留低频信号。模数转换电路应变计信号通常为模拟信号，需要模数转换电路将其转换为数字信号。模数转换电路可以采用高精度模数转换器，保证信号的精度。数据采集与处理电路数据采集与处理电路用于采集和处理转换后的数字信号。数据采集与处理电路可以采用微处理器或单片机，进行数据存储、分析和显示。应变测量系统的组成应变传感器应变传感器是应变测量系统的心脏，它将机械应变转换为电信号。信号调理电路信号调理电路放大、滤波和转换应变传感器输出的微弱信号，使其能够被后续设备处理。数据采集系统数据采集系统将信号调理电路输出的信号数字化并存储，为后续分析提供数据基础。数据处理软件数据处理软件对采集到的数据进行分析、处理和展示，得出应变测量结果。应变测量系统的工作原理应变信号的采集应变传感器将应变转换为电信号，由信号调理电路放大和滤波处理，得到可测量的电压或电流信号。信号转换与处理信号调理电路将应变信号转换为与应变大小成比例的电压或电流信号，进行放大和滤波，以便由测量仪器读取。数据采集与分析应变测量系统通过采集数据，将应变信号转换为应力或应变数值，并进行分析处理，以判断材料的变形情况或结构的安全性。应变测量系统的校准1零点校准确保仪器在无应力状态下显示为零。2灵敏度校准确定传感器输出与应变之间的关系。3温度校准校准温度对传感器灵敏度的影响。4校准记录详细记录校准过程和结果。校准是确保应变测量系统准确可靠的关键步骤。通过校准，可以消除仪器误差，确保测量结果的准确性和一致性。应变测量系统的标定标准应变使用已知应变值的标准件，如拉伸试样，进行标定。应变计校准将应变计安装在标准件上，测量其输出电压。标定曲线根据标准应变值和测量电压，建立标定曲线。应变测量系统的标定方法零点标定通过施加已知负载或应变，校准传感器输出与实际应变之间的关系。灵敏度标定确定传感器输出信号变化量与对应输入应变变化量之间的比例关系。温度补偿标定校正温度变化对传感器输出的影响，确保测量结果的准确性。线性度标定验证传感器输出与输入应变之间的线性关系，确保测量结果的可靠性。应变测量系统的维护与保养11.定期清洁使用柔软的布料和清洁剂清洁应变计和传感器，防止灰尘和污垢影响测量精度。22.避免剧烈冲击应避免对应变测量系统进行剧烈冲击或振动，以防止传感器损坏或性能下降。33.环境监测定期监测应变测量系统的工作环境温度、湿度和气压，确保其符合设备的运行要求。44.校准与标定定期对应变测量系统进行校准和标定，保证其测量结果的准确性和可靠性。应变测量系统的应用领域桥梁结构应变测量系统用于监测桥梁结构的应力分布和变形情况，确保桥梁的安全性和稳定性。建筑工程应变测量系统可以监测建筑物在施工过程中的应力变化，评估结构的承载能力，并确保建筑物的安全。航空航天应变测量系统用于监测飞机机身和机翼的应力变化，确保飞机的飞行安全和可靠性。医疗器械应变测量系统可以监测医疗器械在使用过程中的应力变化，确保器械的安全性、可靠性和有效性。应用实例一:机械设备应变测量应变计可用于测量机械设备的应力状态和变形情况，例如：发动机曲轴的应力齿轮的应力集中轴承的疲劳损伤压力容器的应力分布应用实例二:工程结构应变测量应变测量在工程结构安全监测中发挥着重要作用，可以监测结构的应力状态，判断结构的承载能力，并及时发现潜在的结构安全问题。例如，桥梁、大坝、高层建筑、隧道等工程结构的安全监测都离不开应变测量技术。应变测量技术可以有效地评估结构的健康状况，为结构的维修保养提供依据，确保结构的长期安全稳定。应用实例三:医疗器械应变测量应变计在医疗器械领域具有广泛的应用，可用于测量人体器官和组织的应变，例如心脏、血管、肌肉、骨骼等。应变计可以用于评估医疗器械的安全性，例如人工关节、植入物、导管等。应用实例四:生物力学应变测量运动分析应变计用于测量人体运动过程中骨骼和肌肉的应力分布，了解人体运动机制。医疗诊断测量关节活动范围和应力变化，辅助诊断骨骼和肌肉疾病，评估治疗效果。假肢设计应变计用于评估假肢的设计和材料性能，确保假肢的稳定性和舒适性。运动训练应变计用于分析运动员的运动模式，优化训练方案，提高运动成绩。应用实例五:智能材料应变测量智能材料是指能够感知外界环境变化并做出相应响应的材料，如形状记忆合金、压电陶瓷、磁致伸缩材料等。应变测量技术在智能材料的研发和应用中发挥着重要作用，可以实时监测材料的应变状态，为材料性能评估和控制提供数据支撑。例如，在形状记忆合金的应用中，应变计可以监测合金在不同温度下的应变变化，从而控制合金的形状恢复和变形过程。在压电陶瓷的应用中，应变计可以测量陶瓷材料在电场作用下的应变变化，从而评估陶瓷的压电性能。应用实例六:航天航空应变测量航天航空器材承受巨大压力，比如振动和温度变化，它们对结构的完整性非常重要。应变计用来检测结构的变形，并根据变形程度来判断结构的强度和稳定性。应变计还能帮助监测关键部件的健康状态，防止意外发生。比如，发动机、燃料箱、控制系统等关键部件的应变信息，可以帮助工程师实时监控其性能和寿命，及时进行维护或更换，保障飞行安全。应用实例七:汽车工程应变测量汽车底盘应变测量应变测量技术可用于汽车底盘的结构强度分析，优化设计，提高安全性。发动机应变分析发动机部件的应变测试有助于监控工作状态，预测潜在故障，提高可靠性。车身应力测试车身应力测试可以评估碰撞安全性，优化材料选择，提高乘坐舒适性。轮胎应变分析轮胎应变测试可以监测轮胎压力，评估胎面磨损，优化轮胎设计。应用实例八:工业机器人应变测量工业机器人广泛应用于各种制造领域，其关键部件的应变测量至关重要。应变计可以精确测量机器人的关节、臂杆和执行机构等部件的应力分布，并进行