《应变计式传感器》课件

应变计式传感器应变计是一种广泛应用于各种工程领域的重要传感器,可以精确测量各种场合下的力、压力、扭矩等物理量。了解其工作原理和特点有助于更好地设计和应用该传感器。引言传感器的重要性应变计作为一种重要的电子元件,广泛应用于各领域,能提供关键数据。它的发展历史及工作原理值得深入探讨。测量机理应变计能准确测量物体的应力和应变状态,为工程设计、设备监测等提供关键数据。掌握其测量机理很有必要。结构与类型应变计有多种类型,从金属箔、半导体到光纤,各有特点。了解不同应变计的结构与原理很重要。传感器的分类类型传感器可分为机械式、电子式、光学式等多种类型,根据不同的工作原理和应用领域进行细分。工作原理传感器可以将物理量、化学量或生物量转换为电信号、光信号或其他形式的信号。应用范围传感器在工业控制、汽车、医疗、航空航天等诸多领域都有广泛应用。性能指标传感器的精度、灵敏度、响应时间、温度特性等性能指标决定了其应用价值。应变计的工作原理1应变的形成当外部力作用于某物体时,物体会发生形变,这种形变称为应变。应变计利用这种形变原理来测量和分析外加力的大小和方向。2电阻的变化应变计通常由金属箔或半导体材料制成,当应变发生时,材料的电阻会发生相应的变化,从而产生电信号输出。3信号的检测应变计通过检测电阻变化产生的电信号,能够精确测量出所受外力的大小和方向,为相关参数的分析提供依据。应变计的类型金属箔应变计采用金属箔材料,将应变转换为电阻变化,广泛用于测量各种应变和力。具有灵敏度高、线性性好、制造工艺简单等优点。半导体应变计利用半导体材料的应变敏感特性,可测量微小应变,并能集成化。灵敏度高,体积小,成本低廉。光纤应变计基于光纤的微弯曲和相位变化,可精确测量应变。抗电磁干扰能力强,适用于恶劣环境。金属箔应变计金属箔应变计是一种利用金属的电阻在受到应变变化而改变的原理制造的传感器。它具有体积小、重量轻、成本低廉、易安装等优点。广泛应用于机械设备、工业过程、生物医学等领域。金属箔应变计由高灵敏度金属箔、绝缘基体和保护层组成。受力时金属箔发生形变,电阻发生变化,从而实现应变检测。半导体应变计原理半导体应变计利用半导体材料在受到应力时电阻值发生变化的原理工作。其具有高灵敏度、体积小、质量轻等优点。材料常用的半导体应变计材料有单晶硅、锗和一些复合材料,能够提供高灵敏度和良好的温度特性。电路半导体应变计通常采用桥式电路输出,并配合放大电路以获得足够的输出信号。其温度特性可通过补偿电路进行补偿。光纤应变计光纤应变计利用光纤内部微弱的光学性质变化来实现应变的检测。光纤本身具有高灵敏度和高精度的特点,能够精确监测结构和材料的微小变形。光纤应变计无需外接电源,抗电磁干扰能力强,非常适合在复杂环境下使用。应变计的安装表面安装将应变计直接粘附在被测物表面上，适用于平整表面的应变测量。需要仔细清洁表面，并按要求的方向粘贴。固定安装将应变计通过螺栓、螺钉等方式固定在被测物表面上，适用于曲面或不平整表面。需要预先准备好安装孔。嵌入式安装将应变计嵌入到被测物内部，可以测量内部应变分布。需要提前在被测物内预留安装空间。应变的测量方法1桥式测量应变计通常采用电阻应变计的四臂电阻桥电路进行测量。这种方法既简单又精确。2对比测量将待测应变计与标准应变计同时接入测量电路,通过比较读数来确定待测应变。3动态测量使用动态信号分析仪或示波器对应变信号的变化过程进行实时监测和记录。4有限元分析通过有限元建模和仿真,计算出目标结构的应变分布,为实际应变测量提供参考。应变计的灵敏度应变计的灵敏度是指应变计对被测量物体的应变变化所产生的输出信号变化的比例。灵敏度越高,表示应变计对被测物体的应变变化越敏感,能够更准确地反映其应变情况。指标说明应变灵敏度应变计在特定应变下的输出信号变化与其应变变化之比温度灵敏度应变计在温度变化时产生的输出信号变化量长期稳定性应变计在长期使用中输出信号的稳定性应变计的精度应变计的精度是衡量其测量性能的重要指标。精度越高,测量结果越准确可靠。测量范围越大,精度通常会略有下降。针对不同的测量需求,可选择合适的测量范围和精度的应变计。应变计的温度特性应变计在测量过程中会受到温度变化的影响。温度会对应变计的灵敏度、零点漂移和输出信号产生影响。因此必须对应变计进行温度补偿,以确保测量结果的准确性。-50°C最低工作温度200°C最高工作温度±0.1%/°C灵敏度温度系数±1μm/m/°C零点温度漂移系数应变计的电学特性应变计具有独特的电学特性,可以将机械应变转换为可测量的电信号。主要包括电阻值、灵敏度、温度系数、线性度等性能指标。这些特性的优化对于提高应变计测量精度和可靠性至关重要。2K-6K电阻值典型应变计电阻值在2K欧姆到6K欧姆之间。2%非线性度良好的线性度可以确保测量结果的准确性。-100ppm/°C温度系数温度对应变计电阻的影响可通过温度补偿技术降低。1-3灵敏度应变计灵敏度通常在1到3的范围内。应变计的应用领域1机械应变测量应变计广泛应用于机械设备和构件的应变测量,如承重结构、零件变形、材料特性等方面的应用。2结构健康监测应变计可以安装在建筑物、桥梁等重要结构上,实时监测结构应变变化,预防安全隐患。3机械设备监测应变计用于监测机械设备的振动、负荷和故障状态,提高设备使用寿命和可靠性。4生物医学检测应变计可用于测量人体器官和组织的应变,如关节活动、肌肉收缩等,应用于康复训练和医疗诊断。机械应变测量生产设备监测应变计可用于监测生产设备的机械应力变化,及时发现潜在问题,确保设备稳定可靠运行。基础设施监测将应变计安装于桥梁、高架等基础设施上,可实时监测结构的应力状态,为设施维护提供数据支撑。产品质量监控应变计可用于测量生产过程中工件的应变变化,为质量管控提供精准数据,确保产品达标。结构健康监测实时监测利用应变计持续监测重要建筑物和基础设施的应变状态,及时发现潜在的损坏或问题。故障诊断通过对比设计标准和实际测量数据,可以诊断结构中的故障情况,采取修缮措施。预防维护根据实时监测数据,制定合理的预防性维护计划,延长结构使用寿命。机械设备监测振动分析通过监测设备运行过程中的振动信号,可以及时发现设备磨损、不平衡、松动等异常状况,为预测性维护提供依据。温度检测监测设备关键部位的温度变化,可以评估设备的工作状态,及时发现异常发热,避免设备损坏。油液分析定期检测设备使用的润滑油,可以了解设备的磨损情况,预测设备的剩余使用寿命。电流监测监测电动设备的电流变化,可以判断电机、轴承等部件的工作状态,为维护保养提供依据。生物医学检测心电监测通过应变计检测心脏的电信号,可以实现远程医疗和连续监测。肌肉活动测量应变计可以精确测量肌肉的收缩和放松状态,用于康复评估和运动分析。血压监测结合压力传感器,应变计可检测动脉血管的压力变化,实现非侵入性血压监测。运动生物力学应变计可测量关节、肌肉和骨骼的变形,用于评估运动功能和康复进程。航空航天应用飞行性能监测应变计被广泛应用于飞机机身、机翼、起落架等关键部位,实时监测飞行过程中的载荷情况,确保飞行安全。材料强度分析应变计可测量航天器在发射、航行、再入等阶段遭受的应力分布,为材料选型和结构设计提供依据。结构健康评估应变计与其他传感器配合,对航天器关键部位的结构状态进行实时监测,及时发现隐患。工业过程监测1实时监测应变计可以实时监测工业生产过程中设备和结构的应变变化情况,及时发现问题并采取措施。2提高效率对生产过程进行持续监测可以优化工艺流程,提高产品质量和生产效率。3安全保障应变计可以监测关键设备的应力状态,有助于预防设备故障,确保生产安全。4数据分析采集的应变数据可用于分析生产过程中的异常情况,并指导工艺改进。应变计信号调理1信号放大使用运算放大器电路放大微小的应变信号。2滤波处理利用低通滤波器去除噪声干扰,提高测量精度。3温度补偿采用电路补偿应变计对温度的影响。应变计信号调理是测量过程中的关键环节,能提高信号质量,保证测量结果的准确性和可靠性。合理的信号调理电路设计,可以实现对微弱应变信号的放大、滤波、温度补偿等处理,从而确保测量系统的整体性能。放大电路设计放大电路基础应变计输出信号微弱,需要通过放大电路提高信号强度,以便后续处理和分析。运算放大器设计常用的放大电路采用运算放大器,需要设计合适的增益、阻抗匹配等参数。电路板设计放大电路的PCB设计需要考虑噪声抑制、热管理等因素,确保可靠性。校准与调试完成放大电路设计后,还需要通过实际测试进行校准和调试,确保性能稳定。温度补偿技术温度变化对应变计的影响温度变化会引起应变计的零点漂移和灵敏度变化。因此需要采取补偿措施来提高应变计的测量精度。主动式温度补偿通过集成温度传感器,实时监测应变计的温度,并采用专门的电路电路对测量信号进行补偿,可以有效抵消温度带来的影响。被动式温度补偿选用特殊的材料和结构设计,利用材料的热膨胀特性实现自主补偿,无需额外的温度传感器和电路。动态温度补偿通过对应变信号和温度信号的动态相关分析,实时调整补偿参数,可适应复杂的温度环境变化。接线及接线方式正确接线应变计的接线需要遵循特定的方式,确保测量精度和安全性。正确的接线方式包括极性、端子、线材等要素。接线配置选择根据应变计的类型和测量需求,选择合适的接线配置,如四臂桥式、半桥式或三线制等。信号调理应变计输出的微弱信号需要经过放大、滤波等调理电路处理,以提高测量精度和抗干扰能力。应变计的安全使用穿戴个人防护装备在安装和使用应变计时,务必穿戴防护手套和安全眼镜等,以免受伤。小心触电风险应变计涉及电流测量,需格外注意绝缘保护,远离高压线路。确保装置安全应变计设备必须可靠固定,防止坠落和意外移动,保护测试对象和操作人员。了解安全警示仔细阅读设备说明,了解各种安全注意事项,遵守操作规程。应变计的维护保养定期清洁及时清除应变计表面和连接线上的灰尘、油污等,确保信号传输通畅。防水防潮密封好连接线,定期检查应变计外壳的防护性能,避免水汽渗入。环境温度监测定期检查应变计使用环境的温度变化,及时调整温度补偿参数。校验检查定期对应变计进行校验检查,确保测量精度符合使用要求。应变计的标定方法1现场标定利用标准负荷对应变计进行就位校准2实验室标定利用精密载荷设备对应变计进行标定3统计分析校正通过大量数据分析调整应变计的输出应变计标定是确保其测量准确性的关键步骤。常用的方法包括现场标定、实验室标定以及统计分析校正。现场标定利用标准负荷对应变计进行就位校准,实验室标定则采用精密载荷设备进行标定,而统计分析校正则通过大量数据分析调整应变计的输出。这些标定方法确保了应变计的测量精度和可靠性。应变计的校验测量零点在无任何外力作用时,测量应变计的输出信号,确保其零点值准确。检查线性度通过施加已知的应变量,测量输出信号的线性关系,确保测量精度。评估灵敏度测量输出信号对应变的比例关系,确保灵敏度满足应用要求。验证温度特性在不同温度下测试应变计性能,确保温度影响在可控范围内。应变计的选型建议型号对比根据测量对象和环境条件选择合适的应变计型号,如金属箔、半导体或光纤等,兼顾灵敏度、温度