《應(yīng)變計式傳感器》課件

應(yīng)變計式傳感器應(yīng)變計是一種廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域的重要傳感器,可以精確測量各種場合下的力、壓力、扭矩等物理量。了解其工作原理和特點(diǎn)有助于更好地設(shè)計和應(yīng)用該傳感器。引言傳感器的重要性應(yīng)變計作為一種重要的電子元件,廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域,能提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。它的發(fā)展歷史及工作原理值得深入探討。測量機(jī)理應(yīng)變計能準(zhǔn)確測量物體的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài),為工程設(shè)計、設(shè)備監(jiān)測等提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。掌握其測量機(jī)理很有必要。結(jié)構(gòu)與類型應(yīng)變計有多種類型,從金屬箔、半導(dǎo)體到光纖,各有特點(diǎn)。了解不同應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與原理很重要。傳感器的分類類型傳感器可分為機(jī)械式、電子式、光學(xué)式等多種類型,根據(jù)不同的工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行細(xì)分。工作原理傳感器可以將物理量、化學(xué)量或生物量轉(zhuǎn)換為電信號、光信號或其他形式的信號。應(yīng)用范圍傳感器在工業(yè)控制、汽車、醫(yī)療、航空航天等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。性能指標(biāo)傳感器的精度、靈敏度、響應(yīng)時間、溫度特性等性能指標(biāo)決定了其應(yīng)用價值。應(yīng)變計的工作原理1應(yīng)變的形成當(dāng)外部力作用于某物體時,物體會發(fā)生形變,這種形變稱為應(yīng)變。應(yīng)變計利用這種形變原理來測量和分析外加力的大小和方向。2電阻的變化應(yīng)變計通常由金屬箔或半導(dǎo)體材料制成,當(dāng)應(yīng)變發(fā)生時,材料的電阻會發(fā)生相應(yīng)的變化,從而產(chǎn)生電信號輸出。3信號的檢測應(yīng)變計通過檢測電阻變化產(chǎn)生的電信號,能夠精確測量出所受外力的大小和方向,為相關(guān)參數(shù)的分析提供依據(jù)。應(yīng)變計的類型金屬箔應(yīng)變計采用金屬箔材料,將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化,廣泛用于測量各種應(yīng)變和力。具有靈敏度高、線性性好、制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體應(yīng)變計利用半導(dǎo)體材料的應(yīng)變敏感特性,可測量微小應(yīng)變,并能集成化。靈敏度高,體積小,成本低廉。光纖應(yīng)變計基于光纖的微彎曲和相位變化,可精確測量應(yīng)變?？闺姶鸥蓴_能力強(qiáng),適用于惡劣環(huán)境。金屬箔應(yīng)變計金屬箔應(yīng)變計是一種利用金屬的電阻在受到應(yīng)變變化而改變的原理制造的傳感器。它具有體積小、重量輕、成本低廉、易安裝等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、工業(yè)過程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。金屬箔應(yīng)變計由高靈敏度金屬箔、絕緣基體和保護(hù)層組成。受力時金屬箔發(fā)生形變,電阻發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變檢測。半導(dǎo)體應(yīng)變計原理半導(dǎo)體應(yīng)變計利用半導(dǎo)體材料在受到應(yīng)力時電阻值發(fā)生變化的原理工作。其具有高靈敏度、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。材料常用的半導(dǎo)體應(yīng)變計材料有單晶硅、鍺和一些復(fù)合材料,能夠提供高靈敏度和良好的溫度特性。電路半導(dǎo)體應(yīng)變計通常采用橋式電路輸出,并配合放大電路以獲得足夠的輸出信號。其溫度特性可通過補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償。光纖應(yīng)變計光纖應(yīng)變計利用光纖內(nèi)部微弱的光學(xué)性質(zhì)變化來實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的檢測。光纖本身具有高靈敏度和高精度的特點(diǎn),能夠精確監(jiān)測結(jié)構(gòu)和材料的微小變形。光纖應(yīng)變計無需外接電源,抗電磁干擾能力強(qiáng),非常適合在復(fù)雜環(huán)境下使用。應(yīng)變計的安裝表面安裝將應(yīng)變計直接粘附在被測物表面上，適用于平整表面的應(yīng)變測量。需要仔細(xì)清潔表面，并按要求的方向粘貼。固定安裝將應(yīng)變計通過螺栓、螺釘?shù)确绞焦潭ㄔ诒粶y物表面上，適用于曲面或不平整表面。需要預(yù)先準(zhǔn)備好安裝孔。嵌入式安裝將應(yīng)變計嵌入到被測物內(nèi)部，可以測量內(nèi)部應(yīng)變分布。需要提前在被測物內(nèi)預(yù)留安裝空間。應(yīng)變的測量方法1橋式測量應(yīng)變計通常采用電阻應(yīng)變計的四臂電阻橋電路進(jìn)行測量。這種方法既簡單又精確。2對比測量將待測應(yīng)變計與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變計同時接入測量電路,通過比較讀數(shù)來確定待測應(yīng)變。3動態(tài)測量使用動態(tài)信號分析儀或示波器對應(yīng)變信號的變化過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和記錄。4有限元分析通過有限元建模和仿真,計算出目標(biāo)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布,為實(shí)際應(yīng)變測量提供參考。應(yīng)變計的靈敏度應(yīng)變計的靈敏度是指應(yīng)變計對被測量物體的應(yīng)變變化所產(chǎn)生的輸出信號變化的比例。靈敏度越高,表示應(yīng)變計對被測物體的應(yīng)變變化越敏感,能夠更準(zhǔn)確地反映其應(yīng)變情況。指標(biāo)說明應(yīng)變靈敏度應(yīng)變計在特定應(yīng)變下的輸出信號變化與其應(yīng)變變化之比溫度靈敏度應(yīng)變計在溫度變化時產(chǎn)生的輸出信號變化量長期穩(wěn)定性應(yīng)變計在長期使用中輸出信號的穩(wěn)定性應(yīng)變計的精度應(yīng)變計的精度是衡量其測量性能的重要指標(biāo)。精度越高,測量結(jié)果越準(zhǔn)確可靠。測量范圍越大,精度通常會略有下降。針對不同的測量需求,可選擇合適的測量范圍和精度的應(yīng)變計。應(yīng)變計的溫度特性應(yīng)變計在測量過程中會受到溫度變化的影響。溫度會對應(yīng)變計的靈敏度、零點(diǎn)漂移和輸出信號產(chǎn)生影響。因此必須對應(yīng)變計進(jìn)行溫度補(bǔ)償,以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。-50°C最低工作溫度200°C最高工作溫度±0.1%/°C靈敏度溫度系數(shù)±1μm/m/°C零點(diǎn)溫度漂移系數(shù)應(yīng)變計的電學(xué)特性應(yīng)變計具有獨(dú)特的電學(xué)特性,可以將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。主要包括電阻值、靈敏度、溫度系數(shù)、線性度等性能指標(biāo)。這些特性的優(yōu)化對于提高應(yīng)變計測量精度和可靠性至關(guān)重要。2K-6K電阻值典型應(yīng)變計電阻值在2K歐姆到6K歐姆之間。2%非線性度良好的線性度可以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。-100ppm/°C溫度系數(shù)溫度對應(yīng)變計電阻的影響可通過溫度補(bǔ)償技術(shù)降低。1-3靈敏度應(yīng)變計靈敏度通常在1到3的范圍內(nèi)。應(yīng)變計的應(yīng)用領(lǐng)域1機(jī)械應(yīng)變測量應(yīng)變計廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備和構(gòu)件的應(yīng)變測量,如承重結(jié)構(gòu)、零件變形、材料特性等方面的應(yīng)用。2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)變計可以安裝在建筑物、橋梁等重要結(jié)構(gòu)上,實(shí)時監(jiān)測結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化,預(yù)防安全隱患。3機(jī)械設(shè)備監(jiān)測應(yīng)變計用于監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的振動、負(fù)荷和故障狀態(tài),提高設(shè)備使用壽命和可靠性。4生物醫(yī)學(xué)檢測應(yīng)變計可用于測量人體器官和組織的應(yīng)變,如關(guān)節(jié)活動、肌肉收縮等,應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療診斷。機(jī)械應(yīng)變測量生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)測應(yīng)變計可用于監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備的機(jī)械應(yīng)力變化,及時發(fā)現(xiàn)潛在問題,確保設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行?；A(chǔ)設(shè)施監(jiān)測將應(yīng)變計安裝于橋梁、高架等基礎(chǔ)設(shè)施上,可實(shí)時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài),為設(shè)施維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控應(yīng)變計可用于測量生產(chǎn)過程中工件的應(yīng)變變化,為質(zhì)量管控提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù),確保產(chǎn)品達(dá)標(biāo)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實(shí)時監(jiān)測利用應(yīng)變計持續(xù)監(jiān)測重要建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)變狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)潛在的損壞或問題。故障診斷通過對比設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際測量數(shù)據(jù),可以診斷結(jié)構(gòu)中的故障情況,采取修繕措施。預(yù)防維護(hù)根據(jù)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù),制定合理的預(yù)防性維護(hù)計劃,延長結(jié)構(gòu)使用壽命。機(jī)械設(shè)備監(jiān)測振動分析通過監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行過程中的振動信號,可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備磨損、不平衡、松動等異常狀況,為預(yù)測性維護(hù)提供依據(jù)。溫度檢測監(jiān)測設(shè)備關(guān)鍵部位的溫度變化,可以評估設(shè)備的工作狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)異常發(fā)熱,避免設(shè)備損壞。油液分析定期檢測設(shè)備使用的潤滑油,可以了解設(shè)備的磨損情況,預(yù)測設(shè)備的剩余使用壽命。電流監(jiān)測監(jiān)測電動設(shè)備的電流變化,可以判斷電機(jī)、軸承等部件的工作狀態(tài),為維護(hù)保養(yǎng)提供依據(jù)。生物醫(yī)學(xué)檢測心電監(jiān)測通過應(yīng)變計檢測心臟的電信號,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療和連續(xù)監(jiān)測。肌肉活動測量應(yīng)變計可以精確測量肌肉的收縮和放松狀態(tài),用于康復(fù)評估和運(yùn)動分析。血壓監(jiān)測結(jié)合壓力傳感器,應(yīng)變計可檢測動脈血管的壓力變化,實(shí)現(xiàn)非侵入性血壓監(jiān)測。運(yùn)動生物力學(xué)應(yīng)變計可測量關(guān)節(jié)、肌肉和骨骼的變形,用于評估運(yùn)動功能和康復(fù)進(jìn)程。航空航天應(yīng)用飛行性能監(jiān)測應(yīng)變計被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、起落架等關(guān)鍵部位,實(shí)時監(jiān)測飛行過程中的載荷情況,確保飛行安全。材料強(qiáng)度分析應(yīng)變計可測量航天器在發(fā)射、航行、再入等階段遭受的應(yīng)力分布,為材料選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)健康評估應(yīng)變計與其他傳感器配合,對航天器關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)隱患。工業(yè)過程監(jiān)測1實(shí)時監(jiān)測應(yīng)變計可以實(shí)時監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)過程中設(shè)備和結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化情況,及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。2提高效率對生產(chǎn)過程進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測可以優(yōu)化工藝流程,提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。3安全保障應(yīng)變計可以監(jiān)測關(guān)鍵設(shè)備的應(yīng)力狀態(tài),有助于預(yù)防設(shè)備故障,確保生產(chǎn)安全。4數(shù)據(jù)分析采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)可用于分析生產(chǎn)過程中的異常情況,并指導(dǎo)工藝改進(jìn)。應(yīng)變計信號調(diào)理1信號放大使用運(yùn)算放大器電路放大微小的應(yīng)變信號。2濾波處理利用低通濾波器去除噪聲干擾,提高測量精度。3溫度補(bǔ)償采用電路補(bǔ)償應(yīng)變計對溫度的影響。應(yīng)變計信號調(diào)理是測量過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),能提高信號質(zhì)量,保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。合理的信號調(diào)理電路設(shè)計,可以實(shí)現(xiàn)對微弱應(yīng)變信號的放大、濾波、溫度補(bǔ)償?shù)忍幚?從而確保測量系統(tǒng)的整體性能。放大電路設(shè)計放大電路基礎(chǔ)應(yīng)變計輸出信號微弱,需要通過放大電路提高信號強(qiáng)度,以便后續(xù)處理和分析。運(yùn)算放大器設(shè)計常用的放大電路采用運(yùn)算放大器,需要設(shè)計合適的增益、阻抗匹配等參數(shù)。電路板設(shè)計放大電路的PCB設(shè)計需要考慮噪聲抑制、熱管理等因素,確?？煽啃?。校準(zhǔn)與調(diào)試完成放大電路設(shè)計后,還需要通過實(shí)際測試進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試,確保性能穩(wěn)定。溫度補(bǔ)償技術(shù)溫度變化對應(yīng)變計的影響溫度變化會引起應(yīng)變計的零點(diǎn)漂移和靈敏度變化。因此需要采取補(bǔ)償措施來提高應(yīng)變計的測量精度。主動式溫度補(bǔ)償通過集成溫度傳感器,實(shí)時監(jiān)測應(yīng)變計的溫度,并采用專門的電路電路對測量信號進(jìn)行補(bǔ)償,可以有效抵消溫度帶來的影響。被動式溫度補(bǔ)償選用特殊的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計,利用材料的熱膨脹特性實(shí)現(xiàn)自主補(bǔ)償,無需額外的溫度傳感器和電路。動態(tài)溫度補(bǔ)償通過對應(yīng)變信號和溫度信號的動態(tài)相關(guān)分析,實(shí)時調(diào)整補(bǔ)償參數(shù),可適應(yīng)復(fù)雜的溫度環(huán)境變化。接線及接線方式正確接線應(yīng)變計的接線需要遵循特定的方式,確保測量精度和安全性。正確的接線方式包括極性、端子、線材等要素。接線配置選擇根據(jù)應(yīng)變計的類型和測量需求,選擇合適的接線配置,如四臂橋式、半橋式或三線制等。信號調(diào)理應(yīng)變計輸出的微弱信號需要經(jīng)過放大、濾波等調(diào)理電路處理,以提高測量精度和抗干擾能力。應(yīng)變計的安全使用穿戴個人防護(hù)裝備在安裝和使用應(yīng)變計時,務(wù)必穿戴防護(hù)手套和安全眼鏡等,以免受傷。小心觸電風(fēng)險應(yīng)變計涉及電流測量,需格外注意絕緣保護(hù),遠(yuǎn)離高壓線路。確保裝置安全應(yīng)變計設(shè)備必須可靠固定,防止墜落和意外移動,保護(hù)測試對象和操作人員。了解安全警示仔細(xì)閱讀設(shè)備說明,了解各種安全注意事項(xiàng),遵守操作規(guī)程。應(yīng)變計的維護(hù)保養(yǎng)定期清潔及時清除應(yīng)變計表面和連接線上的灰塵、油污等,確保信號傳輸通暢。防水防潮密封好連接線,定期檢查應(yīng)變計外殼的防護(hù)性能,避免水汽滲入。環(huán)境溫度監(jiān)測定期檢查應(yīng)變計使用環(huán)境的溫度變化,及時調(diào)整溫度補(bǔ)償參數(shù)。校驗(yàn)檢查定期對應(yīng)變計進(jìn)行校驗(yàn)檢查,確保測量精度符合使用要求。應(yīng)變計的標(biāo)定方法1現(xiàn)場標(biāo)定利用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷對應(yīng)變計進(jìn)行就位校準(zhǔn)2實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定利用精密載荷設(shè)備對應(yīng)變計進(jìn)行標(biāo)定3統(tǒng)計分析校正通過大量數(shù)據(jù)分析調(diào)整應(yīng)變計的輸出應(yīng)變計標(biāo)定是確保其測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。常用的方法包括現(xiàn)場標(biāo)定、實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定以及統(tǒng)計分析校正?，F(xiàn)場標(biāo)定利用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷對應(yīng)變計進(jìn)行就位校準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定則采用精密載荷設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定,而統(tǒng)計分析校正則通過大量數(shù)據(jù)分析調(diào)整應(yīng)變計的輸出。這些標(biāo)定方法確保了應(yīng)變計的測量精度和可靠性。應(yīng)變計的校驗(yàn)測量零點(diǎn)在無任何外力作用時,測量應(yīng)變計的輸出信號,確保其零點(diǎn)值準(zhǔn)確。檢查線性度通過施加已知的應(yīng)變量,測量輸出信號的線性關(guān)系,確保測量精度。評估靈敏度測量輸出信號對應(yīng)變的比例關(guān)系,確保靈敏度滿足應(yīng)用要求。驗(yàn)證溫度特性在不同溫度下測試應(yīng)變計性能,確保溫度影響在可控范圍內(nèi)。應(yīng)變計的選型建議型號對比根據(jù)測量對象和環(huán)境條件選擇合適的應(yīng)變計型號,如金屬箔、半導(dǎo)體或光纖等,兼顧靈敏度、溫度