《電阻應(yīng)變式傳感器》課件

電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是一種廣泛應(yīng)用的傳感器，用于測量機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力、壓力等物理量。這種傳感器利用材料的電阻變化與應(yīng)變之間的關(guān)系進(jìn)行測量。應(yīng)變效應(yīng)的基本原理材料變形當(dāng)材料受到外力作用時，會發(fā)生變形，這種變形稱為應(yīng)變。電阻變化金屬材料的電阻值會隨著材料的應(yīng)變而變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變計原理電阻應(yīng)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(yīng)變。金屬應(yīng)變計的基本結(jié)構(gòu)金屬應(yīng)變計通常由敏感元件、絕緣基底、引線和保護(hù)層等組成。敏感元件通常采用細(xì)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(hù)層用來保護(hù)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(yīng)變計的特性靈敏度金屬應(yīng)變計靈敏度較高，對微小的應(yīng)變變化敏感，適用于高精度測量。穩(wěn)定性金屬應(yīng)變計具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，長期使用性能穩(wěn)定。線性度應(yīng)變計的輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系，方便數(shù)據(jù)處理。溫度系數(shù)金屬應(yīng)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(yīng)變計的分類箔式應(yīng)變計箔式應(yīng)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(yīng)變計絲式應(yīng)變計使用細(xì)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(yīng)變計印刷式應(yīng)變計使用印刷技術(shù)將應(yīng)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(dǎo)體應(yīng)變計的基本原理壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的電阻率會隨其應(yīng)變而發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變計利用壓阻效應(yīng)，通過測量其電阻變化來間接測量應(yīng)變。晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變計通常采用單晶硅或鍺等材料制成，其晶體結(jié)構(gòu)具有各向異性。當(dāng)材料受到應(yīng)變時，其晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生畸變，導(dǎo)致電阻率發(fā)生變化。半導(dǎo)體應(yīng)變計的特性靈敏度高半導(dǎo)體應(yīng)變計的靈敏度遠(yuǎn)高于金屬應(yīng)變計，能夠測量微小的應(yīng)變變化。尺寸小巧半導(dǎo)體應(yīng)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(yīng)速度快半導(dǎo)體應(yīng)變計的響應(yīng)速度快，可以準(zhǔn)確地測量動態(tài)應(yīng)變變化?？蛊谛詮?qiáng)半導(dǎo)體應(yīng)變計抗疲勞性強(qiáng)，可以長期使用在惡劣的環(huán)境中。半導(dǎo)體應(yīng)變計的分類硅片應(yīng)變計硅片應(yīng)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(yīng)變計薄膜應(yīng)變計通過在基底上沉積薄膜制成，適用于微小結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測量。集成應(yīng)變計集成應(yīng)變計將應(yīng)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(yīng)變計的特點筏式應(yīng)變計是由多個獨立的應(yīng)變計組成的，它們被安裝在一個共同的基底上。這種設(shè)計增強(qiáng)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(yīng)變時。此外，筏式應(yīng)變計可以提供更全面的應(yīng)變信息，它能識別出不同方向上的應(yīng)變變化，從而為工程師提供更準(zhǔn)確的應(yīng)力分析數(shù)據(jù)。橋式應(yīng)變計電路橋式應(yīng)變計電路是測量應(yīng)變信號最常用的電路。它由四個應(yīng)變計組成，并連接成一個惠斯通電橋。當(dāng)應(yīng)變計受到應(yīng)變作用時，其電阻會發(fā)生變化，導(dǎo)致電橋失衡。通過測量電橋的輸出電壓，可以得到應(yīng)變的大小。應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yù)留安裝孔，并將應(yīng)變計嵌入其中。這種方式可以提高應(yīng)變計的穩(wěn)定性，但需要更高的精度和專業(yè)技能。應(yīng)變計的測量誤差應(yīng)變計的測量誤差主要來自以下幾個方面：應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)和補(bǔ)償來減小。安裝誤差包括應(yīng)變計的粘貼位置、粘貼方法、粘貼強(qiáng)度等，這些誤差可以通過嚴(yán)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(yīng)變計類型、采取溫度補(bǔ)償措施、進(jìn)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(yīng)變計的溫度補(bǔ)償11.溫度影響溫度變化會導(dǎo)致應(yīng)變計的電阻發(fā)生變化,影響測量精度.22.補(bǔ)償方法常用方法包括溫度補(bǔ)償電路和使用溫度穩(wěn)定性高的材料.33.補(bǔ)償電路補(bǔ)償電路通過模擬應(yīng)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(yīng)變計材料可以有效降低溫度的影響.應(yīng)變計信號調(diào)理電路放大電路應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、分析和顯示。應(yīng)變測量系統(tǒng)的組成應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感器是應(yīng)變測量系統(tǒng)的心臟，它將機(jī)械應(yīng)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(yīng)變傳感器輸出的微弱信號，使其能夠被后續(xù)設(shè)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(chǔ)。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(jìn)行分析、處理和展示，得出應(yīng)變測量結(jié)果。應(yīng)變測量系統(tǒng)的工作原理應(yīng)變信號的采集應(yīng)變傳感器將應(yīng)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(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為與應(yīng)變大小成比例的電壓或電流信號，進(jìn)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(yīng)變測量系統(tǒng)通過采集數(shù)據(jù)，將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為應(yīng)力或應(yīng)變數(shù)值，并進(jìn)行分析處理，以判斷材料的變形情況或結(jié)構(gòu)的安全性。應(yīng)變測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)1零點校準(zhǔn)確保儀器在無應(yīng)力狀態(tài)下顯示為零。2靈敏度校準(zhǔn)確定傳感器輸出與應(yīng)變之間的關(guān)系。3溫度校準(zhǔn)校準(zhǔn)溫度對傳感器靈敏度的影響。4校準(zhǔn)記錄詳細(xì)記錄校準(zhǔn)過程和結(jié)果。校準(zhǔn)是確保應(yīng)變測量系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵步驟。通過校準(zhǔn)，可以消除儀器誤差，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。應(yīng)變測量系統(tǒng)的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變使用已知應(yīng)變值的標(biāo)準(zhǔn)件，如拉伸試樣，進(jìn)行標(biāo)定。應(yīng)變計校準(zhǔn)將應(yīng)變計安裝在標(biāo)準(zhǔn)件上，測量其輸出電壓。標(biāo)定曲線根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值和測量電壓，建立標(biāo)定曲線。應(yīng)變測量系統(tǒng)的標(biāo)定方法零點標(biāo)定通過施加已知負(fù)載或應(yīng)變，校準(zhǔn)傳感器輸出與實際應(yīng)變之間的關(guān)系。靈敏度標(biāo)定確定傳感器輸出信號變化量與對應(yīng)輸入應(yīng)變變化量之間的比例關(guān)系。溫度補(bǔ)償標(biāo)定校正溫度變化對傳感器輸出的影響，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。線性度標(biāo)定驗證傳感器輸出與輸入應(yīng)變之間的線性關(guān)系，確保測量結(jié)果的可靠性。應(yīng)變測量系統(tǒng)的維護(hù)與保養(yǎng)11.定期清潔使用柔軟的布料和清潔劑清潔應(yīng)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(yīng)避免對應(yīng)變測量系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)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(shè)備的運(yùn)行要求。44.校準(zhǔn)與標(biāo)定定期對應(yīng)變測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，保證其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。應(yīng)變測量系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量系統(tǒng)用于監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(yīng)變測量系統(tǒng)可以監(jiān)測建筑物在施工過程中的應(yīng)力變化，評估結(jié)構(gòu)的承載能力，并確保建筑物的安全。航空航天應(yīng)變測量系統(tǒng)用于監(jiān)測飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼的應(yīng)力變化，確保飛機(jī)的飛行安全和可靠性。醫(yī)療器械應(yīng)變測量系統(tǒng)可以監(jiān)測醫(yī)療器械在使用過程中的應(yīng)力變化，確保器械的安全性、可靠性和有效性。應(yīng)用實例一:機(jī)械設(shè)備應(yīng)變測量應(yīng)變計可用于測量機(jī)械設(shè)備的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況，例如：發(fā)動機(jī)曲軸的應(yīng)力齒輪的應(yīng)力集中軸承的疲勞損傷壓力容器的應(yīng)力分布應(yīng)用實例二:工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量應(yīng)變測量在工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，判斷結(jié)構(gòu)的承載能力，并及時發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)安全問題。例如，橋梁、大壩、高層建筑、隧道等工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測都離不開應(yīng)變測量技術(shù)。應(yīng)變測量技術(shù)可以有效地評估結(jié)構(gòu)的健康狀況，為結(jié)構(gòu)的維修保養(yǎng)提供依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)的長期安全穩(wěn)定。應(yīng)用實例三:醫(yī)療器械應(yīng)變測量應(yīng)變計在醫(yī)療器械領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，可用于測量人體器官和組織的應(yīng)變，例如心臟、血管、肌肉、骨骼等。應(yīng)變計可以用于評估醫(yī)療器械的安全性，例如人工關(guān)節(jié)、植入物、導(dǎo)管等。應(yīng)用實例四:生物力學(xué)應(yīng)變測量運(yùn)動分析應(yīng)變計用于測量人體運(yùn)動過程中骨骼和肌肉的應(yīng)力分布，了解人體運(yùn)動機(jī)制。醫(yī)療診斷測量關(guān)節(jié)活動范圍和應(yīng)力變化，輔助診斷骨骼和肌肉疾病，評估治療效果。假肢設(shè)計應(yīng)變計用于評估假肢的設(shè)計和材料性能，確保假肢的穩(wěn)定性和舒適性。運(yùn)動訓(xùn)練應(yīng)變計用于分析運(yùn)動員的運(yùn)動模式，優(yōu)化訓(xùn)練方案，提高運(yùn)動成績。應(yīng)用實例五:智能材料應(yīng)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(yīng)響應(yīng)的材料，如形狀記憶合金、壓電陶瓷、磁致伸縮材料等。應(yīng)變測量技術(shù)在智能材料的研發(fā)和應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，可以實時監(jiān)測材料的應(yīng)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(yīng)用中，應(yīng)變計可以監(jiān)測合金在不同溫度下的應(yīng)變變化，從而控制合金的形狀恢復(fù)和變形過程。在壓電陶瓷的應(yīng)用中，應(yīng)變計可以測量陶瓷材料在電場作用下的應(yīng)變變化，從而評估陶瓷的壓電性能。應(yīng)用實例六:航天航空應(yīng)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(jié)構(gòu)的完整性非常重要。應(yīng)變計用來檢測結(jié)構(gòu)的變形，并根據(jù)變形程度來判斷結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。應(yīng)變計還能幫助監(jiān)測關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，防止意外發(fā)生。比如，發(fā)動機(jī)、燃料箱、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的應(yīng)變信息，可以幫助工程師實時監(jiān)控其性能和壽命，及時進(jìn)行維護(hù)或更換，保障飛行安全。應(yīng)用實例七:汽車工程應(yīng)變測量汽車底盤應(yīng)變測量應(yīng)變測量技術(shù)可用于汽車底盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，優(yōu)化設(shè)計，提高安全性。發(fā)動機(jī)應(yīng)變分析發(fā)動機(jī)部件的應(yīng)變測試有助于監(jiān)控工作狀態(tài)，預(yù)測潛在故障，提高可靠性。車身應(yīng)力測試車身應(yīng)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(yīng)變分析輪胎應(yīng)變測試可以監(jiān)測輪胎壓力，評估胎面磨損，優(yōu)化輪胎設(shè)計。應(yīng)用實例八:工業(yè)機(jī)器人應(yīng)變測量工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各種制造領(lǐng)域，其關(guān)鍵部件的應(yīng)變測量至關(guān)重要。應(yīng)變計可以精確測量機(jī)器人的關(guān)節(jié)、臂桿和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件的應(yīng)力分布，并進(jìn)行