《應(yīng)變式傳感器》課件

應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器是一種能夠?qū)C(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器設(shè)備。通過(guò)測(cè)量材料在受力作用下的應(yīng)變變化,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷、位移等物理量的檢測(cè)和測(cè)量。應(yīng)變式傳感器簡(jiǎn)介定義應(yīng)變式傳感器是一種利用材料受外力作用而發(fā)生變形而產(chǎn)生電信號(hào)變化的傳感器，能將機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電量。工作原理它通過(guò)材料的電阻變化或電容變化等物理效應(yīng),將外加力、壓力、扭矩等機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械量的測(cè)量。廣泛應(yīng)用應(yīng)變式傳感器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、機(jī)械制造、汽車電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,是一種重要的測(cè)量裝置。應(yīng)變式傳感器的工作原理1應(yīng)變檢測(cè)應(yīng)變式傳感器利用材料在受力時(shí)產(chǎn)生的形變量來(lái)檢測(cè)外部作用力。2電信號(hào)轉(zhuǎn)換這種形變會(huì)引起材料電阻的變化,傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。3信號(hào)放大采用電路放大微弱的電阻變化信號(hào),得到可測(cè)量的輸出信號(hào)。應(yīng)變式傳感器利用材料在受力作用下產(chǎn)生的形變來(lái)檢測(cè)外界作用力。這種形變引起材料電阻的變化,傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并采用電路放大微弱的電阻變化信號(hào),最終獲得可測(cè)量的輸出。這一原理是應(yīng)變式傳感器的工作基礎(chǔ)。應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造應(yīng)變計(jì)由敏感元件和測(cè)量電路兩部分組成。敏感元件通常采用金屬箔或半導(dǎo)體材料制成，受到外界應(yīng)力的作用會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電阻變化。測(cè)量電路包括勵(lì)磁電路和信號(hào)放大電路，用于檢測(cè)和放大這種電阻變化。通過(guò)電路設(shè)計(jì)可以提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性。應(yīng)變計(jì)的材料金屬材料應(yīng)變計(jì)常使用金屬材料,如鋼、鋁、銅等,具有良好的電導(dǎo)性和機(jī)械性能。半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料如硅、鍺制成的應(yīng)變片,具有較高的應(yīng)變敏感度。光纖材料光纖應(yīng)變計(jì)采用光纖材料,能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、抗電磁干擾的應(yīng)變測(cè)量。壓電材料壓電陶瓷材料可直接轉(zhuǎn)化應(yīng)變信號(hào)為電信號(hào),應(yīng)變計(jì)用其制成傳感器。應(yīng)變計(jì)的種類金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)是基于金屬材料電阻變化的原理而制造的應(yīng)變傳感器,具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)利用半導(dǎo)體材料電阻隨應(yīng)變變化的原理制造而成,具有靈敏度高、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。光纖應(yīng)變計(jì)光纖應(yīng)變計(jì)通過(guò)光纖的光學(xué)特性變化來(lái)測(cè)量應(yīng)變,具有抗電磁干擾、體積小等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于建筑、航空等領(lǐng)域。壓電應(yīng)變計(jì)壓電應(yīng)變計(jì)利用壓電材料在受力時(shí)產(chǎn)生電荷的特性來(lái)測(cè)量應(yīng)變,具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì),常用于力/壓力檢測(cè)。金屬應(yīng)變計(jì)基于金屬的電阻變化金屬應(yīng)變計(jì)利用金屬材料在受到應(yīng)力時(shí)電阻會(huì)發(fā)生改變這一原理來(lái)測(cè)量應(yīng)變。耐高溫性能好金屬應(yīng)變計(jì)材料選用具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，能夠在高溫環(huán)境中穩(wěn)定工作。應(yīng)用廣泛金屬應(yīng)變計(jì)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航天、土木等領(lǐng)域的應(yīng)變測(cè)量與分析。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)高靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng),能檢測(cè)微小的應(yīng)變變化,靈敏度遠(yuǎn)高于金屬應(yīng)變計(jì)。體積小巧半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)尺寸小巧,可應(yīng)用于緊湊型或微型設(shè)備中,滿足現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的需求。能耗低半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的功耗一般較低,適用于需要長(zhǎng)時(shí)間工作的便攜式設(shè)備。光纖應(yīng)變計(jì)工作原理光纖應(yīng)變計(jì)利用光纖內(nèi)部的微弱應(yīng)變引起光纖折射率和光程長(zhǎng)度發(fā)生變化的原理來(lái)測(cè)量應(yīng)變。應(yīng)變導(dǎo)致光纖的光學(xué)特性發(fā)生變化，從而影響光信號(hào)的傳輸。優(yōu)勢(shì)光纖應(yīng)變計(jì)具有體積小、抗干擾強(qiáng)、線性度好、動(dòng)態(tài)范圍廣等特點(diǎn),在工業(yè)、航空、軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Fabry-Perot干涉儀常用的光纖應(yīng)變計(jì)采用Fabry-Perot干涉儀結(jié)構(gòu),通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖端面反射的光強(qiáng)來(lái)檢測(cè)應(yīng)變變化。波分復(fù)用采用波分復(fù)用技術(shù)可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)測(cè)量點(diǎn),大大提高了系統(tǒng)的測(cè)量能力和可靠性。壓電應(yīng)變計(jì)壓電效應(yīng)壓電應(yīng)變計(jì)利用壓電材料的壓電效應(yīng),當(dāng)施加外力時(shí)材料會(huì)產(chǎn)生電荷,從而測(cè)量應(yīng)變。高靈敏度壓電應(yīng)變計(jì)具有很高的靈敏度,可以測(cè)量微小的應(yīng)變,適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。簡(jiǎn)單電路壓電應(yīng)變計(jì)的電路簡(jiǎn)單,無(wú)需復(fù)雜的調(diào)節(jié)和電源,輸出信號(hào)直接與應(yīng)變成正比。應(yīng)變式傳感器的性能指標(biāo)測(cè)量范圍傳感器能夠檢測(cè)的應(yīng)變量的大小范圍靈敏度傳感器輸出與輸入之間的轉(zhuǎn)換比例,衡量傳感器的檢測(cè)能力精度傳感器測(cè)量值與實(shí)際值之間的偏差程度線性度傳感器輸出與輸入之間的線性關(guān)系程度重復(fù)性傳感器在同一輸入條件下連續(xù)測(cè)量結(jié)果的一致性穩(wěn)定性傳感器在一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量性能的保持程度動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳感器測(cè)量結(jié)果與輸入變化之間的時(shí)間關(guān)系應(yīng)變的定義與單位應(yīng)變的定義應(yīng)變是物體在受力作用下發(fā)生形變所引起的相對(duì)長(zhǎng)度變化。它是一個(gè)無(wú)量綱的物理量。應(yīng)變單位常用的應(yīng)變單位有微應(yīng)變(με)和百萬(wàn)分之一(μ/m)。1με=1μ/m，即1×10^-6。測(cè)量方法應(yīng)變通常利用應(yīng)變計(jì)來(lái)測(cè)量,并通過(guò)電橋電路將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)。應(yīng)變的測(cè)量方法1直接法通過(guò)測(cè)量受力部位的實(shí)際長(zhǎng)度變化來(lái)計(jì)算應(yīng)變值。適用于可直接測(cè)量的情況。2間接法利用應(yīng)變計(jì)等傳感器,根據(jù)物理量的變化間接測(cè)量應(yīng)變?？蓮V泛應(yīng)用于各種情況。3數(shù)字法采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)分析測(cè)量信號(hào),獲得應(yīng)變值。精度高、自動(dòng)化程度高。應(yīng)變計(jì)電路應(yīng)變計(jì)電路是用來(lái)測(cè)量應(yīng)變的關(guān)鍵電路。通過(guò)將應(yīng)變計(jì)接入電橋電路,可以測(cè)量出應(yīng)變值。常見(jiàn)的應(yīng)變計(jì)電路包括布里奇電路和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)電路等。這些電路設(shè)計(jì)合理,能夠準(zhǔn)確捕捉應(yīng)變信號(hào),為結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)等應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)。布里奇電路1電路輸入電壓或電流信號(hào)2橋式電路由四個(gè)電阻組成的電路3電路輸出檢測(cè)到的應(yīng)變信號(hào)布里奇電路是應(yīng)變式傳感器中常用的電路。它由四個(gè)電阻組成,其中一個(gè)電阻為應(yīng)變計(jì),當(dāng)應(yīng)變計(jì)受到應(yīng)力變形時(shí),電阻值發(fā)生變化,從而導(dǎo)致橋式電路的輸出電壓也發(fā)生變化,這就可以測(cè)量出應(yīng)變大小。示波器與計(jì)算機(jī)測(cè)量示波器測(cè)量示波器是一種使用電子掃描的儀器,可以顯示電信號(hào)的波形,為應(yīng)變測(cè)量提供實(shí)時(shí)的波形觀察與分析。計(jì)算機(jī)測(cè)量采用計(jì)算機(jī)輔助收集、處理和分析應(yīng)變數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化存儲(chǔ)、分析和展示,提高測(cè)量的精度和效率。信號(hào)處理軟件專業(yè)的信號(hào)處理軟件可以對(duì)采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、放大、積分等處理,為應(yīng)變分析提供強(qiáng)大的數(shù)字化工具。應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域1結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試應(yīng)變式傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量建筑物、橋梁和機(jī)械設(shè)備等各種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況。2機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)情況,從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并預(yù)防事故發(fā)生。3生物信號(hào)監(jiān)測(cè)柔性應(yīng)變計(jì)可以貼在皮膚上監(jiān)測(cè)人體肌肉、關(guān)節(jié)等部位的生物信號(hào)變化。4壓力傳感器應(yīng)變式傳感器廣泛應(yīng)用于壓力測(cè)量,如氣壓、液壓、腔壓等領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試無(wú)損檢測(cè)應(yīng)變式傳感器可以無(wú)損地測(cè)量結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力和應(yīng)變情況,有助于準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作條件下的運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)持續(xù)使用應(yīng)變式傳感器可以檢測(cè)結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)疲勞、斷裂等問(wèn)題,幫助及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患,確保結(jié)構(gòu)安全可靠。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的反饋,支持優(yōu)化設(shè)計(jì),提高結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性。機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)高精度振動(dòng)測(cè)量專業(yè)的振動(dòng)測(cè)試儀可以準(zhǔn)確測(cè)量設(shè)備的振動(dòng)特征,為維護(hù)保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支持。故障診斷分析通過(guò)分析振動(dòng)數(shù)據(jù),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備存在的潛在問(wèn)題,為故障預(yù)防提供依據(jù)。在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)將傳感器安裝在關(guān)鍵設(shè)備上,可以持續(xù)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)預(yù)警異常情況。生物信號(hào)監(jiān)測(cè)1生理信號(hào)監(jiān)測(cè)通過(guò)檢測(cè)心電、腦電、肌電等生物電信號(hào),可以監(jiān)測(cè)人體的生理狀態(tài),如心率、呼吸、肌肉活動(dòng)等。2行為分析對(duì)生物信號(hào)進(jìn)行分析,可以推測(cè)人體的行為狀態(tài),如壓力水平、情緒變化等。3醫(yī)療診斷生物信號(hào)監(jiān)測(cè)在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,有助于疾病的檢測(cè)和診斷,提高醫(yī)療水平。壓力傳感器工作原理壓力傳感器通過(guò)檢測(cè)施加于其上的壓力變化而產(chǎn)生電信號(hào)輸出。其中應(yīng)變式壓力傳感器利用應(yīng)變計(jì)測(cè)量壓力引起的機(jī)械變形，從而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。常見(jiàn)類型常見(jiàn)的壓力傳感器包括電容式、電阻式、壓電式和光纖式等。它們各有特點(diǎn),適用于不同場(chǎng)合,如工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。力傳感器測(cè)量力的大小力傳感器能精確測(cè)量施加在傳感器上的力的大小，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天等領(lǐng)域。檢測(cè)變形和應(yīng)變通過(guò)測(cè)量傳感器本身的變形和應(yīng)變，可以計(jì)算出作用在傳感器上的力的大小和方向。轉(zhuǎn)換成電信號(hào)力傳感器能將機(jī)械力轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)輸出，為后續(xù)的分析和控制提供依據(jù)。應(yīng)變式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)應(yīng)變式傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。它們可以可靠地測(cè)量各種應(yīng)變和應(yīng)力。缺點(diǎn)但應(yīng)變式傳感器也存在一些缺陷,如易受環(huán)境影響、溫度漂移大、線性誤差相對(duì)較大等。需要精密的電子電路來(lái)處理傳感器輸出信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)測(cè)量精度高應(yīng)變式傳感器可以提供高達(dá)百萬(wàn)分之一的測(cè)量精度,在對(duì)精度要求很高的應(yīng)用中非常適用?？煽啃愿邞?yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)摩擦件和機(jī)械連接,有很高的可靠性和耐久性。線性響應(yīng)應(yīng)變式傳感器的輸出信號(hào)與測(cè)量量之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,便于校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理。缺點(diǎn)信號(hào)干擾敏感應(yīng)變式傳感器在工作過(guò)程中,容易受到環(huán)境電磁干擾,影響測(cè)量精度。溫度依賴性強(qiáng)應(yīng)變式傳感器的輸出通常會(huì)隨環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生漂移,需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。容易疲勞斷裂應(yīng)變式傳感器在長(zhǎng)期重復(fù)使用下容易出現(xiàn)疲勞破壞,影響使用壽命。應(yīng)變式傳感器的發(fā)展趨勢(shì)新型材料應(yīng)變式傳感器正在朝著更高靈敏度、更寬量程的方向發(fā)展，體現(xiàn)在新型應(yīng)變敏感材料的廣泛應(yīng)用。微型化小型化和集成化是未來(lái)的主要趨勢(shì)，有利于減小傳感器尺寸、降低功耗并提高可靠性。智能化新一代應(yīng)變式傳感器正朝著更智能化發(fā)展，具有自診斷、自修復(fù)等功能，大大提高使用壽命。新型材料1碳納米管碳納米管具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)率,為應(yīng)變計(jì)的新材料提供了可能。2智能材料利用形狀記憶合金等智能材料,可以制造出具有自修復(fù)能力的應(yīng)變計(jì)。3柔性電子柔性傳感器可以實(shí)現(xiàn)更好的適應(yīng)性和集成性,為應(yīng)變計(jì)應(yīng)用打開(kāi)新的市場(chǎng)。微型化小型化傳感器應(yīng)變式傳感器正朝著更小、更輕的方向發(fā)展,能更好地集成到各種設(shè)備中。這有助于提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。低功耗設(shè)計(jì)小型化傳感器能夠降低功耗,延長(zhǎng)工作時(shí)間,適用于各類移動(dòng)設(shè)備和可穿戴設(shè)備。這有助于提高能源利用效率。智能集成小型化傳感器可以與信號(hào)處理電路、無(wú)線通信模塊等集成在同一芯片上,實(shí)現(xiàn)智能化和無(wú)線化,提高系統(tǒng)的集成度和便攜性。智能化智能監(jiān)測(cè)智能傳感器不僅能測(cè)量物理參數(shù),還可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)警,提高監(jiān)測(cè)效率和精度。智能制造將應(yīng)變式傳感器集成到智能制造機(jī)器人中,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工藝參數(shù),優(yōu)化生產(chǎn)流程。智能穿戴基于應(yīng)變式傳感器的可穿戴設(shè)備能精確捕捉生物信號(hào),為健康監(jiān)測(cè)和生活助理提供數(shù)據(jù)支持?？偨Y(jié)應(yīng)變式傳感器的關(guān)鍵特性應(yīng)變式傳感器具有高靈敏度、快速響應(yīng)和可靠性等優(yōu)異性能,廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、振動(dòng)分析和生物信號(hào)檢測(cè)等領(lǐng)域。未來(lái)發(fā)展方向隨著新材料、微加工和智能化技術(shù)的進(jìn)步,應(yīng)變式傳感器將實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的小型化、集成化和功能增強(qiáng)。發(fā)展前景廣闊隨著工業(yè)自動(dòng)化和智慧城市建設(shè)的不斷推進(jìn),應(yīng)變式傳感器必將在各領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,在未來(lái)有廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)展望新材料的