《應(yīng)變計(jì)式傳感器》課件

應(yīng)變計(jì)式傳感器一、應(yīng)變計(jì)概述應(yīng)變計(jì)是一種將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。它廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域，例如結(jié)構(gòu)監(jiān)測、材料測試、工業(yè)過程控制等。1.應(yīng)變計(jì)的定義應(yīng)變計(jì)是一種用來測量物體表面應(yīng)變的傳感器。原理當(dāng)物體受力變形時(shí)，應(yīng)變計(jì)的電阻值會(huì)發(fā)生變化，這種變化與應(yīng)變的大小成正比。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于機(jī)械、土木、航空、航天等領(lǐng)域，用來測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。2.應(yīng)變計(jì)的工作原理1電阻變化當(dāng)應(yīng)變計(jì)受到外力作用時(shí)，其電阻絲發(fā)生形變，導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化。2電橋電路應(yīng)變計(jì)通常與電橋電路連接，通過測量電橋的輸出電壓變化來反映應(yīng)變大小。3應(yīng)力與應(yīng)變電阻變化與應(yīng)變成正比，通過已知的應(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)，可以將電阻變化轉(zhuǎn)換為應(yīng)力或應(yīng)變。3.應(yīng)變計(jì)的分類電阻式應(yīng)變計(jì)最常見的類型，基于電阻變化測量應(yīng)變。電容式應(yīng)變計(jì)利用電容變化測量應(yīng)變，適用于高溫或高壓環(huán)境。電感式應(yīng)變計(jì)基于電感變化測量應(yīng)變，通常用于測量振動(dòng)或沖擊。4.應(yīng)變計(jì)的特點(diǎn)靈敏度高應(yīng)變計(jì)對(duì)微小的形變變化非常敏感，能夠精確地測量各種材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值。尺寸小巧應(yīng)變計(jì)的尺寸通常很小，易于安裝在各種形狀和尺寸的物體上。安裝方便應(yīng)變計(jì)的安裝相對(duì)簡單，使用粘合劑或其他固定方法可以將其牢固地固定在被測物體上。價(jià)格低廉應(yīng)變計(jì)的成本相對(duì)較低，使其成為廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的理想選擇。二、應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)與材料應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)和材料決定了其性能，影響著測量精度和可靠性。電阻型應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)典型的電阻型應(yīng)變計(jì)由敏感元件、基體、保護(hù)層和引線組成。敏感元件是電阻絲，基體是用來支撐敏感元件的材料，保護(hù)層是用來保護(hù)敏感元件的材料，引線是用來連接敏感元件和外部電路的材料。柵格型應(yīng)變片材料常用的柵格型應(yīng)變片材料包括金屬箔、金屬絲和半導(dǎo)體材料，分別對(duì)應(yīng)著不同類型的應(yīng)變計(jì)。電阻型應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)1敏感元件敏感元件由電阻絲、金屬箔或半導(dǎo)體材料構(gòu)成，這些材料具有應(yīng)力敏感特性，其電阻值會(huì)隨著所受應(yīng)力的變化而改變。2基體材料基體材料通常由金屬或非金屬材料制成，用于固定敏感元件并將其連接到被測物體上。3保護(hù)層保護(hù)層用于保護(hù)敏感元件免受環(huán)境因素的影響，如濕度、溫度、腐蝕等。4引線引線將敏感元件連接到外部電路，以便測量其電阻變化。2.柵格型應(yīng)變片材料金屬材料常用于應(yīng)變片制造，具有良好的電阻率、彈性和可加工性，例如鎳鉻合金、鉑合金、康銅等。半導(dǎo)體材料硅、鍺等半導(dǎo)體材料靈敏度高，但溫度特性較差。金屬薄膜材料利用真空鍍膜技術(shù)制成的金屬薄膜，可實(shí)現(xiàn)高精度和小型化，例如鎳鉻合金、鉑合金等。3.基體材料的選擇1材料特性應(yīng)變計(jì)基體材料應(yīng)具有良好的機(jī)械性能，例如強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕性，以確保應(yīng)變計(jì)能夠承受外界環(huán)境和被測物體的載荷。2匹配性基體材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與被測物體的熱膨脹系數(shù)相匹配，以避免溫度變化引起應(yīng)變計(jì)的誤差。3加工工藝基體材料應(yīng)具有良好的可加工性，便于制造各種形狀和尺寸的應(yīng)變計(jì)。保護(hù)涂層材料保護(hù)涂層的作用保護(hù)應(yīng)變計(jì)免受環(huán)境因素的影響，例如腐蝕、磨損和濕度。常見的涂層材料環(huán)氧樹脂、聚氨酯、聚酰胺等。涂層的選擇根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)變計(jì)的類型選擇合適的涂層材料。三、應(yīng)變計(jì)的性能指標(biāo)靈敏度反映應(yīng)變計(jì)對(duì)應(yīng)變的敏感程度，即應(yīng)變變化引起的電阻變化量與應(yīng)變變化量之比。線性度衡量應(yīng)變計(jì)輸出信號(hào)與輸入應(yīng)變之間關(guān)系的線性程度，通常用線性偏差來表示。靈敏度1靈敏度應(yīng)變計(jì)的靈敏度是指應(yīng)變計(jì)的輸出信號(hào)變化量與所測量的應(yīng)變變化量之比。2關(guān)鍵指標(biāo)靈敏度是應(yīng)變計(jì)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。3影響因素應(yīng)變計(jì)的靈敏度會(huì)受到材料、結(jié)構(gòu)、溫度等因素的影響。線性度線性度反映了應(yīng)變計(jì)輸出電壓與應(yīng)變之間的線性關(guān)系，理想情況下兩者呈線性關(guān)系。3.重復(fù)性定義指應(yīng)變計(jì)在相同的加載條件下，多次測量結(jié)果之間的偏差程度。影響因素應(yīng)變計(jì)材料、制造工藝、環(huán)境溫度等。測試方法多次加載和卸載，測量并計(jì)算結(jié)果的偏差。溫度特性應(yīng)變計(jì)的靈敏度會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變，這是應(yīng)變計(jì)的重要性能指標(biāo)之一。四、應(yīng)變計(jì)的測試與校準(zhǔn)測試和校準(zhǔn)是保證應(yīng)變計(jì)準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵步驟。通過一系列測試和校準(zhǔn)，可以確定應(yīng)變計(jì)的靈敏度、線性度、重復(fù)性、溫度特性等性能指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)以確保其在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性。應(yīng)變計(jì)的電路連接橋式電路最常用的應(yīng)變計(jì)電路連接方式，它可以提高測量精度并抑制干擾。半橋電路適用于單向應(yīng)變測量，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。全橋電路適用于雙向應(yīng)變測量，具有更高的靈敏度和精度。2.應(yīng)變計(jì)的靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)1加載過程緩慢施加已知載荷2應(yīng)變測量記錄不同載荷下的應(yīng)變值3數(shù)據(jù)分析繪制應(yīng)變-載荷曲線應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)特性測試1頻率響應(yīng)測試傳感器在不同頻率下的響應(yīng)能力2時(shí)間響應(yīng)評(píng)估傳感器對(duì)快速變化信號(hào)的反應(yīng)速度3動(dòng)態(tài)范圍確定傳感器能夠準(zhǔn)確測量的信號(hào)幅度范圍4.應(yīng)變計(jì)的校準(zhǔn)方法1標(biāo)定裝置使用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變儀或壓力傳感器，將應(yīng)變計(jì)連接到校準(zhǔn)裝置上。2加載測試對(duì)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行加載測試，記錄實(shí)際應(yīng)變值和應(yīng)變計(jì)輸出值。3校準(zhǔn)曲線根據(jù)測試結(jié)果，建立應(yīng)變計(jì)的校準(zhǔn)曲線，確定其線性度和靈敏度。五、應(yīng)變計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)變計(jì)作為一種重要的傳感器，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造提供了重要支撐。結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試橋梁、建筑物、飛機(jī)等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測，保證結(jié)構(gòu)安全和耐久性。材料強(qiáng)度測試金屬、塑料、陶瓷等材料的強(qiáng)度和硬度測試，為材料選擇和性能評(píng)估提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)變計(jì)式傳感器廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、航空航天等領(lǐng)域，用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，確保安全運(yùn)行。測試方法通過應(yīng)變計(jì)測量結(jié)構(gòu)在載荷作用下的應(yīng)變變化，進(jìn)而推算出應(yīng)力大小，評(píng)估結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。材料強(qiáng)度測試?yán)煸囼?yàn)測試材料在拉伸載荷下的強(qiáng)度和塑性。壓縮試驗(yàn)測量材料在壓縮載荷下的抗壓強(qiáng)度和變形特性。疲勞試驗(yàn)評(píng)估材料在反復(fù)應(yīng)力下的耐久性和失效模式。生物與醫(yī)療應(yīng)用心血管監(jiān)測應(yīng)變計(jì)可用于監(jiān)測心臟和血管的活動(dòng)，幫助診斷和治療心血管疾病。骨骼強(qiáng)度測試應(yīng)變計(jì)可用于評(píng)估骨骼強(qiáng)度，幫助預(yù)防骨折，并監(jiān)測骨骼修復(fù)過程。腦活動(dòng)檢測應(yīng)變計(jì)可用于監(jiān)測腦部活動(dòng)，幫助研究腦功能，并診斷腦部疾病。工業(yè)過程控制自動(dòng)化應(yīng)變計(jì)傳感器可用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如溫度控制、壓力控制和流量控制等。質(zhì)量保證它們可以監(jiān)控生產(chǎn)過程，例如材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保產(chǎn)品質(zhì)量。安全監(jiān)測應(yīng)變計(jì)傳感器可用于監(jiān)測壓力容器、管道和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，確保安全運(yùn)行。未來發(fā)展趨勢智能應(yīng)變計(jì)將人工智能技術(shù)融入應(yīng)變計(jì)，提高測量精度和數(shù)據(jù)分析能力。光纖應(yīng)變計(jì)利用光纖傳感器的高靈敏度、抗電磁干擾等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的測量。智能應(yīng)變計(jì)無線傳輸智能應(yīng)變計(jì)可通過無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。自適應(yīng)校準(zhǔn)內(nèi)置微處理器可根據(jù)環(huán)境溫度和應(yīng)力變化進(jìn)行自適應(yīng)校準(zhǔn)，提高測量精度。光纖應(yīng)變計(jì)原理利用光纖中的光波傳輸特性，通過測量光波的相位變化來反映應(yīng)變的變化。特點(diǎn)抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、重量輕、測量范圍廣，適合應(yīng)用于惡劣環(huán)境和高精度測量。微型應(yīng)變計(jì)1尺寸微小微型應(yīng)變計(jì)的尺寸通常在幾毫米或更小，可以用于狹小的空間或難以接觸的區(qū)域。2靈敏度高微型應(yīng)變計(jì)通常具有更高的靈敏