《电阻应变式传感器》课件

电阻应变式传感器简介广泛应用电阻应变式传感器是一种利用应变效应改变电阻来测量力的传感器。它广泛应用于各种工程领域，包括航空航天、汽车制造、机械加工、桥梁检测、生物力学等。核心技术电阻应变式传感器基于应变计的原理，应变计是将电阻丝粘贴在被测物体上，利用电阻丝的伸长或缩短来测量应变。它具有结构简单、灵敏度高、精度高等优点。应变的定义应变的定义应变是指物体在外力作用下，其尺寸发生的变化，通常用应变率来表示，即物体变形后的长度与原长度之比。应变的种类正应变：物体沿长度方向的变形，如拉伸或压缩切应变：物体沿横截面方向的变形，如剪切应变与应力的关系应变是应力的结果，应力是指物体内部单位面积上所受的力。应变与应力之间的关系被称为材料的本构关系。电阻应变的原理1电阻变化当金属材料受到外力作用发生应变时，其长度和横截面积会发生变化，进而导致电阻发生变化。2应变计电阻应变式传感器通常采用应变计来测量电阻的变化，应变计是一种将应变转换成电阻变化的敏感元件。3电桥测量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计电阻的变化，进而间接测量材料的应变。应变计的基本结构应变计的基本结构主要包括：敏感元件：敏感元件是应变计的核心部分，它将机械变形转化为电阻变化。基底材料：基底材料起着支撑敏感元件的作用，通常采用薄片形状，并具有良好的导热性和机械强度。引线：引线连接敏感元件和外部电路，用于传递信号。保护层：保护层起到保护敏感元件的作用，防止敏感元件受到环境的腐蚀和损坏。应变计的结构设计取决于其应用场景和测量需求，不同的结构设计能够实现不同的性能指标。应变计的工作原理电阻变化当应变计粘贴在被测物体表面，物体受力变形时，应变计也会随之发生形变。由于应变计的电阻丝材料具有较大的应变敏感系数，其电阻会随着应变的变化而变化。惠斯通电桥应变计通常与惠斯通电桥电路连接，通过测量电桥输出电压的变化来反映应变的大小。电桥电路能够将电阻变化转化为电压信号，方便测量和放大。信号放大电桥输出的电压信号通常很微弱，需要经过放大电路进行放大，以便进行后续的信号处理和显示。应变计的特性指标灵敏度应变计灵敏度是指应变计输出电压变化量与输入应变变化量之比，通常用毫伏/微应变(mV/με)表示。灵敏度越高，应变计的输出信号越强，测量精度越高。电阻值应变计的电阻值是一个重要参数，它影响着应变计的输出信号大小和与其他电路匹配程度。电阻值通常在几十欧姆到几百欧姆之间，根据具体应用选择合适的电阻值。温度系数温度系数是指应变计电阻值随温度变化的程度，用ppm/℃表示。温度系数越低，应变计受温度影响越小，测量精度越高。精度应变计的精度是指测量结果的准确度，通常用百分比表示。精度越高，测量结果越可靠。应变计的分类按材料分类金属箔应变计半导体应变计光电应变计按测量范围分类低量程应变计中量程应变计高质量程应变计按安装方式分类贴片式应变计嵌入式应变计悬臂式应变计按工作原理分类电阻应变计电容应变计压电应变计金属箔应变计金属箔应变计是最常用的应变计类型，它由非常薄的金属箔制成，并蚀刻成特定的形状。金属箔应变计具有高灵敏度、低成本、易于安装等优点，在各种应用中广泛使用。金属箔应变计的工作原理是：当金属箔受到拉伸或压缩时，其电阻会发生变化。这种电阻变化与应变成正比，可以通过测量电阻变化来计算应变。半导体应变计半导体应变计是一种利用半导体材料的压阻效应来测量应变的传感器。与金属箔应变计相比，半导体应变计具有更高的灵敏度和更小的尺寸，因此更适用于测量微小的应变。半导体应变计通常采用硅或锗等材料制成，其工作原理是：当半导体材料受到应变时，其内部的电阻会发生变化，这种变化与应变的大小成正比。半导体应变计的灵敏度通常比金属箔应变计高几个数量级，因此可以用于测量更小的应变。半导体应变计的应用领域包括：微型应变测量振动测量压力测量医疗设备航空航天光电应变计光电应变计利用光学原理测量应变，主要由光源、光束调制器、光检测器等组成。当应变计受到应变作用时，光束调制器会发生相应的位移，从而改变光检测器接收到的光信号强度，进而反映出应变的大小。光电应变计具有高灵敏度、抗干扰能力强、测量范围广等优点，适用于高精度、高动态的应变测量场合。应变计的温度补偿1温度影响温度变化会影响应变计的电阻值，从而影响测量结果的准确性。温度补偿是消除温度影响的关键步骤。2补偿方法常用的温度补偿方法包括：使用温度敏感电阻进行补偿、使用温度补偿电路进行补偿、使用温度稳定材料制造应变计。3补偿意义通过温度补偿，可以提高应变计的测量精度，确保测量结果的可靠性。应变计的应用领域机械结构应力分析应变计可用于测量各种机械结构的应力分布，例如桥梁、建筑物、飞机、汽车等。这有助于工程师优化结构设计，提高其强度和可靠性。压力测量应变计可用于测量各种压力，例如气压、液压、土压力等。这在工业自动化、航空航天、医疗器械等领域都有广泛应用。力测量应变计可用于测量各种力，例如拉力、压力、扭矩等。这在工业生产、科学研究、体育运动等领域都有重要应用。加速度测量应变计可用于测量各种加速度，例如振动、冲击、重力加速度等。这在汽车、飞机、地震监测等领域都有重要应用。力传感器工作原理力传感器利用应变计测量施加在弹性元件上的应变，进而转换为力信号。当力作用在弹性元件上时，元件会发生形变，应变计感知到这种形变并产生电信号，该信号与力的大小成正比。类型压式力传感器：利用弹簧压缩变形来测量力。拉式力传感器：利用弹簧拉伸变形来测量力。扭矩传感器：测量旋转轴上的扭力。压力传感器测量原理利用电阻应变计原理，通过压力作用于传感器弹性元件产生形变，进而改变应变计的电阻值，最终将压力信号转换为电信号。应用领域广泛应用于工业自动化、医疗设备、航空航天、汽车制造等领域，用于测量各种流体压力。类型根据测量范围、精度、介质、安装方式等因素，压力传感器可分为多种类型，例如：液压压力传感器、气压传感器、差压传感器等。扭矩传感器定义扭矩传感器是一种用于测量旋转轴或其他旋转物体上的扭矩的设备。它通常利用应变计来检测扭矩引起的应变变化，并将其转换为电信号。工作原理扭矩传感器通常采用应变计贴片，当旋转轴受到扭矩时，应变计会发生应变变化，进而改变其电阻值。通过测量电阻的变化，可以计算出施加在轴上的扭矩。应用领域扭矩传感器广泛应用于汽车发动机、工业设备、航空航天等领域，用于监测扭矩、诊断故障、控制系统等。加速度传感器汽车应用加速度传感器广泛应用于汽车安全系统，例如安全气囊、电子稳定控制系统(ESC)和防抱死制动系统(ABS)。它们可以检测车辆的加速度和减速度，并根据这些信息触发相应的安全措施。智能手机智能手机中的加速度传感器用于各种功能，例如屏幕旋转、游戏控制、计步器和运动跟踪。它们可以检测手机的运动方向和强度，并根据这些信息做出相应的调整。航空航天在航空航天领域，加速度传感器用于监测飞机和火箭的飞行状态，例如加速度、振动和冲击。它们可以提供有关飞行器结构和性能的关键信息，从而确保安全性和可靠性。应变计的信号调理电路1放大放大微弱的应变信号2滤波消除噪声和干扰3温度补偿消除温度变化的影响4零点调整校准电路输出应变计的信号调理电路是将应变计输出的微弱电信号转换成可被仪器识别的标准信号。信号调理电路通常包括放大、滤波、温度补偿和零点调整等环节。应变计桥式电路1平衡桥在无应变情况下，桥路处于平衡状态，输出电压为零。2应变变化当应变计受到应变作用时，其电阻发生变化，桥路失去平衡，产生输出电压。3输出电压输出电压的大小与应变计的应变成正比。应变计桥式电路是一种常用的测量应变的电路。它由四个电阻组成，其中一个电阻是应变计，另外三个电阻是固定电阻。当应变计受到应变作用时，其电阻发生变化，导致桥路失去平衡，产生输出电压。输出电压的大小与应变计的应变成正比。应变计的放大电路1运算放大器实现信号放大2滤波器抑制噪声3信号调理调整信号幅值和频率应变计放大电路是将应变计输出的微弱信号放大至可测量范围，通常采用高精度、低噪声的运算放大器。电路设计需要考虑滤波、信号调理等环节，以确保信号的精度和稳定性。应变计的温度补偿电路1温度漂移应变计的电阻值会随温度变化而改变，导致测量误差。2补偿方法使用温度敏感元件或电路进行补偿，以抵消温度变化带来的影响。3常见电路电桥补偿、热敏电阻补偿、数字补偿等。温度补偿是应变计测量中非常重要的环节，可以有效提高测量精度。温度补偿电路的设计需要根据具体的应用场景和要求进行选择和优化。应变计的零点调整电路电路功能零点调整电路用于消除应变计在未受力情况下产生的输出电压，确保测量结果的准确性。工作原理通过调整可变电阻或电容，改变电路中的电阻或电容值，从而改变输出电压，使之在无应变情况下为零。常见类型电位器调整型电容调整型数字可编程调整型应变计信号的数字化1模拟信号采集应变计输出的是模拟信号，需要使用信号调理电路将其放大、滤波和处理，使其满足数字化要求。2模数转换利用模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，以便进行后续的处理和存储。3数据处理数字信号可以进行数据处理，例如校准、滤波、数据压缩等，以提高数据质量和分析精度。应变计信号的无线传输1无线传输技术蓝牙、WiFi、Zigbee等2数据采集模块将模拟信号转换为数字信号3无线传输协议确保数据可靠传输无线传输技术在应变计应用中扮演着越来越重要的角色，它克服了传统有线传输的限制，为远程监测和数据采集提供了便利。通过无线传输，我们可以实现实时数据采集、远程控制和数据分析，广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗诊断等领域。应变计的测试与校准静态校准静态校准是在静态条件下进行的，通常使用标准砝码或压力机施加已知的力或压力，然后测量应变计的输出电压。通过对比实际输出电压与理论值，可以确定应变计的灵敏度、零点误差等参数。动态校准动态校准是在动态条件下进行的，通常使用振动台或冲击试验台施加已知的振动或冲击，然后测量应变计的输出信号。动态校准可以评估应变计的频率响应、相位特性等指标。温度校准温度校准是为了补偿温度变化对应变计的影响。通常在不同温度下进行静态或动态校准，然后根据校准结果建立温度补偿模型，从而在实际应用中进行温度补偿。应变计的安装与连接1正确安装确保应变计牢固粘贴于被测物体表面，避免气泡或松动。2连接线路将应变计引线与信号调理电路连接，确保连接牢固，避免接触不良。3保护措施应变计安装后应注意防潮、防腐蚀，避免受到外部环境的干扰。应变计的安装和连接是保证测量准确性的关键。正确的安装方式能够确保应变计与被测物体紧密接触，避免测量误差。同时，线缆的连接也要规范操作，避免接触不良，影响信号传输。应变计的制造与封装1材料选择应变计的制造过程首先需要选择合适的材料，通常采用高灵敏度、高稳定性和低温漂的金属材料，例如镍铬合金、康铜合金等。2加工工艺在材料选定后，需要进行精密加工，将材料制成细密的金属箔，并通过特定的工艺蚀刻成应变计的敏感元件。3封装工艺将敏感元件固定在基底材料上，并进行密封封装，以保护敏感元件免受环境因素的影响，提高应变计的可靠性。4性能测试封装完成后，需要进行性能测试，包括灵敏度、非线性误差、温漂等指标的测试，确保应变计满足设计要求。应变计的故障诊断常见故障应变计的故障主要包括以下几种：应变计本身损坏，如断线、接点不良、元件老化等应变计粘贴不牢，导致应变传感失真信号调理电路故障，如放大器损坏、滤波器失效等连接线故障，如断线、接触不良等外界环境干扰，如温度变化、电磁干扰等诊断方法应变计故障诊断主要采用以下方法：检查应变计的外观，观察是否有明显的损坏测试应变计的电阻值，判断是否在正常范围内测量应变计的输出信号，观察是否有异常波动检查信号调理电路，确认电路是否工作正常排查连接线故障，确保连接可靠分析外界环境因素，排除环境干扰的影响应变计的未来发展趋势纳米技术纳米级应变计的开发将显著提升灵敏度和分辨率，并实现微型化和集成化，应用于微纳米器件和生物医学领域。智能材料与传感器将应变计与智能材料相结合，形成自感知和自适应的传感器网络，用于结构健康监测、智能制造和机器人控制等领域。无线传感器网络无线应变计的应用将推动远程监测和数据采集，实现对结构和设备的实时监控，提升安全性和效率。常见应用案例1:机械结构应力分析结构强度评估通过应变传感器测量机械结构的关键部位的应变值，可以分析结构的强度，判断其是否能够承受预期的载荷。疲劳寿命预测通过长期监测机械结构的应变变化，可以预测结构的疲劳寿命，避免因疲劳破坏而造成事故。结构优化设计通过应变传感器获取结构的应力分布信息，可以对结构进行优化设计，提高结构的可靠性和使用寿命。常见应用案例2:汽车悬架系统测试悬架刚度和阻尼测量电阻应变式传感器可用于测量汽车悬架系统的刚度和阻尼。通过安装传感器在悬架弹簧和减震器上，可以精确测量其在不同负载和速度下的变形和阻力，为优化悬架性能提供数据。悬架振动分析电阻应变式传感器可以用来测量汽车悬架系统的振动频率和幅值，帮助工程师分析悬架系统的振动特性，识别潜在的共振问题，并进行改进设计。悬架疲劳寿命测试通过长期监测悬架系统的应力变化，电阻应变式传感器可以帮助工程师评估悬架部件的疲劳寿命，为设计更耐用的悬架系统提供依据。常见应用案例3:生物力学研究运动分析应变计可以用来测量人体运动过程中的力学参数，例如肌肉力量、关节角度、步态分析等，帮助研究人员理解人体运动机制，并为运动训练和康复治疗提供参考。骨骼应力测量应变计可以用来测量人体骨骼在负重条件下的应力分布，帮助研究人员了解骨骼的力学性能，并为骨科手术设计和治疗提供参考。组织力学研究应变计可以用来测量人体组织在不同负荷下的力学性能，例如肌肉、韧带、肌腱的应变、应力、弹性等，帮助研究人员了解人体组织的力学行为，并为组织工程和生物材料研究提供参考。常见应用案例4:航空航天试验测量飞机结构应力测试应变计用于测量飞机机身、机翼、尾翼等结构部件在飞行过程中承受的应力变化，为飞机设计和安全评估提供重要数据。卫星发射振动测试应变计可以测量卫星发射过程中产生的振动，帮助工程师评估卫星结构的抗振性能。宇航服材料性能测试应变计用于测试宇航服材料在极端环境下的抗压、抗拉强度等性能，确保宇航员的安全。常见应用案例5:工业自动化控制生产线优化电阻应变式传感器可用于监测生产线上的关键参数，例如压力、力、扭矩和振动。通过实时数据采集和分析，可以优化生产流程，提高生产效率，并降低生产成本。设备状态监测传感器可以监测设备的运行状态，例如轴承磨损、电机振动、管道泄漏等。通过早期预警，可以避免设备故障，延长设备使用寿命，并降低维护成本。质量控制传感器可以用于检测产品的尺寸、重量、形状等参数，确保产品的质量符合标准。例如，在包装行业，传感器可以用于检测包装盒的尺寸和重量，确保产品的包装完整性。国内外研究进展传感器技术近年来，电阻应变式传感器技术不断发展，主要体现在以下方面：更高灵敏度和精度更小尺寸和更轻重量更宽测量范围和更强抗干扰能力更强的环境适应性材料研究新材料的应用，例如纳米材料和复合材料，提高了传感器的性能和可靠性。信号处理技术数字信号处理技术和人工智能技术的应用，提高了传感器数据的处理能力和分析效率。业内专家访谈专家观点我们邀请了多位电阻应变式传感器领域的知名专家，就行业发展趋势、技术应用等话题进行了深入交流，并获得了宝贵的见解和建议。行业洞察通过访谈，我们对电阻应变式传感器的最新技术发展、应用场景的拓展以及未来的市场趋势有了更深刻的理解。合作潜力专家们也表达了与我们合作的意愿，共同推动电阻应变式传感器技术在更多领域的应用。业内相关标准与法规国家标准GB/T16421-1996《电阻应变式传感器》GB/T16422-1996《电阻应变式传感器用应变计》GB/T16423-1996《电阻应变式传感器用桥式电路》GB/T16424-1996《电阻应变式传感器用信号调理电路》GB/T16425-1996《电阻应变式传感器用温度补偿电路》国际标准IEC60770-1:2007《电阻应变式传感器第1部分:一般要求》IEC60770-2:2007《电阻应变式传感器第2部分:静态特性和动态特性》IEC60770-3:2007《电阻应变式传感器第3部分:温度特性》IEC60770-4:2007《电阻应变式传