《应变计式传感器》课件

应变计式传感器一、应变计概述应变计是一种将机械应变转换为电信号的传感器。它广泛应用于各种工程领域，例如结构监测、材料测试、工业过程控制等。1.应变计的定义应变计是一种用来测量物体表面应变的传感器。原理当物体受力变形时，应变计的电阻值会发生变化，这种变化与应变的大小成正比。应用广泛应用于机械、土木、航空、航天等领域，用来测量结构的应力、应变和位移。2.应变计的工作原理1电阻变化当应变计受到外力作用时，其电阻丝发生形变，导致电阻值发生变化。2电桥电路应变计通常与电桥电路连接，通过测量电桥的输出电压变化来反映应变大小。3应力与应变电阻变化与应变成正比，通过已知的应变计灵敏度系数，可以将电阻变化转换为应力或应变。3.应变计的分类电阻式应变计最常见的类型，基于电阻变化测量应变。电容式应变计利用电容变化测量应变，适用于高温或高压环境。电感式应变计基于电感变化测量应变，通常用于测量振动或冲击。4.应变计的特点灵敏度高应变计对微小的形变变化非常敏感，能够精确地测量各种材料和结构的应变值。尺寸小巧应变计的尺寸通常很小，易于安装在各种形状和尺寸的物体上。安装方便应变计的安装相对简单，使用粘合剂或其他固定方法可以将其牢固地固定在被测物体上。价格低廉应变计的成本相对较低，使其成为广泛应用于各个领域的理想选择。二、应变计的结构与材料应变计的结构和材料决定了其性能，影响着测量精度和可靠性。电阻型应变计结构典型的电阻型应变计由敏感元件、基体、保护层和引线组成。敏感元件是电阻丝，基体是用来支撑敏感元件的材料，保护层是用来保护敏感元件的材料，引线是用来连接敏感元件和外部电路的材料。栅格型应变片材料常用的栅格型应变片材料包括金属箔、金属丝和半导体材料，分别对应着不同类型的应变计。电阻型应变计结构1敏感元件敏感元件由电阻丝、金属箔或半导体材料构成，这些材料具有应力敏感特性，其电阻值会随着所受应力的变化而改变。2基体材料基体材料通常由金属或非金属材料制成，用于固定敏感元件并将其连接到被测物体上。3保护层保护层用于保护敏感元件免受环境因素的影响，如湿度、温度、腐蚀等。4引线引线将敏感元件连接到外部电路，以便测量其电阻变化。2.栅格型应变片材料金属材料常用于应变片制造，具有良好的电阻率、弹性和可加工性，例如镍铬合金、铂合金、康铜等。半导体材料硅、锗等半导体材料灵敏度高，但温度特性较差。金属薄膜材料利用真空镀膜技术制成的金属薄膜，可实现高精度和小型化，例如镍铬合金、铂合金等。3.基体材料的选择1材料特性应变计基体材料应具有良好的机械性能，例如强度、刚度、耐腐蚀性，以确保应变计能够承受外界环境和被测物体的载荷。2匹配性基体材料的热膨胀系数应与被测物体的热膨胀系数相匹配，以避免温度变化引起应变计的误差。3加工工艺基体材料应具有良好的可加工性，便于制造各种形状和尺寸的应变计。保护涂层材料保护涂层的作用保护应变计免受环境因素的影响，例如腐蚀、磨损和湿度。常见的涂层材料环氧树脂、聚氨酯、聚酰胺等。涂层的选择根据应用环境和应变计的类型选择合适的涂层材料。三、应变计的性能指标灵敏度反映应变计对应变的敏感程度，即应变变化引起的电阻变化量与应变变化量之比。线性度衡量应变计输出信号与输入应变之间关系的线性程度，通常用线性偏差来表示。灵敏度1灵敏度应变计的灵敏度是指应变计的输出信号变化量与所测量的应变变化量之比。2关键指标灵敏度是应变计性能的关键指标之一。3影响因素应变计的灵敏度会受到材料、结构、温度等因素的影响。线性度线性度反映了应变计输出电压与应变之间的线性关系，理想情况下两者呈线性关系。3.重复性定义指应变计在相同的加载条件下，多次测量结果之间的偏差程度。影响因素应变计材料、制造工艺、环境温度等。测试方法多次加载和卸载，测量并计算结果的偏差。温度特性应变计的灵敏度会随着温度的变化而发生改变，这是应变计的重要性能指标之一。四、应变计的测试与校准测试和校准是保证应变计准确可靠的关键步骤。通过一系列测试和校准，可以确定应变计的灵敏度、线性度、重复性、温度特性等性能指标，并对其进行校准以确保其在实际应用中的准确性。应变计的电路连接桥式电路最常用的应变计电路连接方式，它可以提高测量精度并抑制干扰。半桥电路适用于单向应变测量，结构简单，成本较低。全桥电路适用于双向应变测量，具有更高的灵敏度和精度。2.应变计的静态加载实验1加载过程缓慢施加已知载荷2应变测量记录不同载荷下的应变值3数据分析绘制应变-载荷曲线应变计的动态特性测试1频率响应测试传感器在不同频率下的响应能力2时间响应评估传感器对快速变化信号的反应速度3动态范围确定传感器能够准确测量的信号幅度范围4.应变计的校准方法1标定装置使用标准应变仪或压力传感器，将应变计连接到校准装置上。2加载测试对应变计进行加载测试，记录实际应变值和应变计输出值。3校准曲线根据测试结果，建立应变计的校准曲线，确定其线性度和灵敏度。五、应变计的应用领域应变计作为一种重要的传感器，广泛应用于各个领域，为科学研究、工程设计和生产制造提供了重要支撑。结构应力测试桥梁、建筑物、飞机等结构的应力监测，保证结构安全和耐久性。材料强度测试金属、塑料、陶瓷等材料的强度和硬度测试，为材料选择和性能评估提供依据。结构应力测试应用领域应变计式传感器广泛应用于桥梁、建筑、航空航天等领域，用于监测结构的应力变化，确保安全运行。测试方法通过应变计测量结构在载荷作用下的应变变化，进而推算出应力大小，评估结构的受力状态。材料强度测试拉伸试验测试材料在拉伸载荷下的强度和塑性。压缩试验测量材料在压缩载荷下的抗压强度和变形特性。疲劳试验评估材料在反复应力下的耐久性和失效模式。生物与医疗应用心血管监测应变计可用于监测心脏和血管的活动，帮助诊断和治疗心血管疾病。骨骼强度测试应变计可用于评估骨骼强度，帮助预防骨折，并监测骨骼修复过程。脑活动检测应变计可用于监测脑部活动，帮助研究脑功能，并诊断脑部疾病。工业过程控制自动化应变计传感器可用于自动控制系统，例如温度控制、压力控制和流量控制等。质量保证它们可以监控生产过程，例如材料的强度和稳定性，确保产品质量。安全监测应变计传感器可用于监测压力容器、管道和结构的应力水平，确保安全运行。未来发展趋势智能应变计将人工智能技术融入应变计，提高测量精度和数据分析能力。光纤应变计利用光纤传感器的高灵敏度、抗电磁干扰等优势，实现更精准的测量。智能应变计无线传输智能应变计可通过无线通信技术将数据传输至远程监测系统，实现实时监测和数据分析。自适应校准内置微处理器可根据环境温度和应力变化进行自适应校准，提高测量精度。光纤应变计原理利用光纤中的光波传输特性，通过测量光波的相位变化来反映应变的变化。特点抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、重量轻、测量范围广，适合应用于恶劣环境和高精度测量。微型应变计1尺寸微小微型应变计的尺寸通常在几毫米或更小，可以用于狭小的空间或难以接触的区域。2灵敏度高微型应变计通常具有更高的灵敏