《電阻應(yīng)變式傳感器》課件

電阻應(yīng)變式傳感器課程簡介1傳感器概述本課程將介紹電阻應(yīng)變式傳感器的基礎(chǔ)知識，包括其工作原理、結(jié)構(gòu)、類型以及應(yīng)用。2應(yīng)變測量技術(shù)重點(diǎn)講解電阻應(yīng)變式傳感器在應(yīng)變測量中的應(yīng)用，包括應(yīng)變片的選用、連接、校準(zhǔn)以及測量系統(tǒng)的構(gòu)成。3實(shí)踐應(yīng)用案例通過實(shí)際案例，展示電阻應(yīng)變式傳感器在機(jī)械、土木、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。測量原理1電阻變化應(yīng)變片的電阻值會隨著被測物體形變而改變2應(yīng)變值電阻變化與應(yīng)變值成正比3測量通過測量電阻變化來間接測量應(yīng)變電阻應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬導(dǎo)體受到外力作用發(fā)生形變時，其電阻值會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變效應(yīng)的原理是，當(dāng)金屬導(dǎo)體受到拉伸或壓縮時，其橫截面積會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化。拉伸時，橫截面積減小，電阻值增大；壓縮時，橫截面積增大，電阻值減小。應(yīng)變片工作原理電阻變化當(dāng)應(yīng)變片受到外力作用時，其長度和橫截面積會發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻發(fā)生變化。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系電阻變化與應(yīng)變片受到的應(yīng)力成正比，即應(yīng)變片電阻變化的大小反映了被測物體的應(yīng)力大小。信號轉(zhuǎn)換通過測量應(yīng)變片電阻的變化，可以間接測量被測物體的應(yīng)力或應(yīng)變。應(yīng)變片材料和結(jié)構(gòu)金屬箔應(yīng)變片金屬箔應(yīng)變片是最常見的類型，由電阻率穩(wěn)定的金屬箔制成，通過蝕刻和粘貼工藝，形成特定的形狀和尺寸。薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片采用真空鍍膜技術(shù)，在基底上沉積一層薄膜材料，具有高靈敏度和抗腐蝕性。應(yīng)變片結(jié)構(gòu)典型的應(yīng)變片結(jié)構(gòu)包括基底、敏感柵格、粘合劑和保護(hù)層，這些組件共同構(gòu)成了應(yīng)變片的傳感單元。應(yīng)變計(jì)應(yīng)變傳感器將機(jī)械量轉(zhuǎn)化為電信號的裝置電阻變化應(yīng)變引起的電阻變化應(yīng)變測量通過電阻變化量計(jì)算應(yīng)變應(yīng)變計(jì)組成敏感元件敏感元件是應(yīng)變計(jì)的核心，它負(fù)責(zé)將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化?；撞牧匣撞牧蠟槊舾性峁┲危⑵溥B接到被測物體上。保護(hù)層保護(hù)層用于保護(hù)敏感元件，防止其受到環(huán)境的影響。引線引線負(fù)責(zé)將敏感元件的電信號傳遞到測量電路。應(yīng)變計(jì)分類按結(jié)構(gòu)分類應(yīng)變計(jì)根據(jù)其結(jié)構(gòu)可以分為：箔片式應(yīng)變計(jì)、薄膜式應(yīng)變計(jì)、絲式應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)等。按材料分類應(yīng)變計(jì)根據(jù)其材料可以分為：金屬應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)等。按用途分類應(yīng)變計(jì)根據(jù)其用途可以分為：靜態(tài)應(yīng)變計(jì)、動態(tài)應(yīng)變計(jì)等。應(yīng)變片的選擇條件1測量范圍應(yīng)變片的選擇應(yīng)與被測物體的應(yīng)變范圍相匹配，以保證測量精度。2靈敏度應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的靈敏度，以獲得最佳的測量信號。3溫度特性應(yīng)考慮被測物體的工作溫度，選擇溫度特性良好的應(yīng)變片。4安裝方式根據(jù)被測物體形狀和尺寸，選擇合適的安裝方式，如膠粘式、螺紋式等。應(yīng)變片的連接方式單臂連接應(yīng)變片與電橋的一個臂相連，其余三個臂為固定電阻。半橋連接兩個應(yīng)變片與電橋的兩個相鄰臂相連，其余兩個臂為固定電阻。全橋連接四個應(yīng)變片分別與電橋的四個臂相連，用于測量復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。電橋電路基本原理1平衡狀態(tài)當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時，橋臂上的電壓降相等，輸出電壓為零。2失衡狀態(tài)當(dāng)電橋處于失衡狀態(tài)時，橋臂上的電壓降不相等，輸出電壓不為零。3應(yīng)變測量應(yīng)變片的電阻變化會引起電橋失衡，通過測量輸出電壓的變化可以得到應(yīng)變值。電橋單臂配置在電橋電路中，只有一個應(yīng)變片連接到電橋電路中，其他三個臂為固定電阻。這種配置適合測量單點(diǎn)應(yīng)變，靈敏度較低，但結(jié)構(gòu)簡單，成本低。電橋全橋配置全橋配置是指將四個應(yīng)變片分別安裝在梁的上下兩側(cè)，每個應(yīng)變片分別測量梁的縱向應(yīng)變或橫向應(yīng)變。全橋配置的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地消除溫度的影響，提高測量精度。因?yàn)闇囟茸兓瘯饝?yīng)變片的電阻變化，但四個應(yīng)變片安裝在梁的不同位置，溫度變化對四個應(yīng)變片的電阻變化影響相反，因此可以相互抵消。溫度補(bǔ)償溫度影響應(yīng)變片材料的電阻值會隨溫度變化而改變，造成測量誤差。補(bǔ)償方法采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，消除溫度變化對測量結(jié)果的影響，提高測量精度。補(bǔ)償方式包括電橋補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償?shù)?。信號放大電?放大倍數(shù)增大信號幅值2頻率響應(yīng)確定放大電路工作頻率范圍3噪聲抑制減少噪聲干擾信號調(diào)理電路1放大提升信號幅度2濾波去除噪聲3線性化校正非線性4轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號應(yīng)變測量系統(tǒng)的組成應(yīng)變片將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號的關(guān)鍵部件。電橋電路將應(yīng)變片電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。信號放大電路放大微弱的電橋輸出電壓。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、處理和顯示應(yīng)變數(shù)據(jù)。應(yīng)變測量系統(tǒng)性能指標(biāo)應(yīng)變測量系統(tǒng)的性能指標(biāo)反映了系統(tǒng)的精度、靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性等方面的綜合性能，包括靈敏度、線性度、準(zhǔn)確度、溫度特性、頻率響應(yīng)等。應(yīng)變計(jì)安裝注意事項(xiàng)清潔表面確保安裝表面干凈，無油污或灰塵。正確對齊應(yīng)變計(jì)應(yīng)與應(yīng)力方向平行安裝。適當(dāng)緊固應(yīng)變計(jì)應(yīng)牢固固定，但避免過度緊固。避免熱量應(yīng)變計(jì)應(yīng)遠(yuǎn)離熱源，以防止溫度影響。應(yīng)變計(jì)的校準(zhǔn)1校準(zhǔn)目的確保應(yīng)變計(jì)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性2校準(zhǔn)方法使用已知應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行校準(zhǔn)3校準(zhǔn)頻率定期校準(zhǔn)，確保應(yīng)變計(jì)長期穩(wěn)定性校準(zhǔn)是確保應(yīng)變計(jì)測量結(jié)果準(zhǔn)確性的重要步驟。通過使用已知應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行校準(zhǔn)，可以確定應(yīng)變計(jì)的實(shí)際輸出與理論輸出之間的偏差。定期進(jìn)行校準(zhǔn)，可以確保應(yīng)變計(jì)長期穩(wěn)定性，并及時發(fā)現(xiàn)和解決可能出現(xiàn)的誤差。應(yīng)變計(jì)的動態(tài)特性頻率響應(yīng)應(yīng)變計(jì)對不同頻率的振動響應(yīng)能力。阻尼特性應(yīng)變計(jì)自身阻尼對測量結(jié)果的影響。應(yīng)變計(jì)的靜態(tài)特性靈敏度衡量應(yīng)變計(jì)輸出信號變化量與應(yīng)變變化量之間的比例關(guān)系。線性度描述應(yīng)變計(jì)輸出信號與應(yīng)變之間的線性程度。遲滯指應(yīng)變計(jì)在加載和卸載過程中，輸出信號之間存在的差異。重復(fù)性衡量應(yīng)變計(jì)在相同條件下重復(fù)測量時的誤差范圍。應(yīng)變計(jì)的線性度線性度指應(yīng)變計(jì)輸出信號與輸入應(yīng)變之間的線性關(guān)系程度。理想情況輸出信號與輸入應(yīng)變呈線性關(guān)系，即應(yīng)變計(jì)的線性度為100%。實(shí)際情況應(yīng)變計(jì)的輸出信號與輸入應(yīng)變之間存在一定的非線性誤差，導(dǎo)致線性度小于100%。應(yīng)變計(jì)的靈敏度1靈敏度應(yīng)變計(jì)輸出電壓變化量與應(yīng)變值的變化量之比。2高靈敏度更精確測量微小的應(yīng)變變化。3低靈敏度測量大范圍的應(yīng)變變化。應(yīng)變計(jì)的準(zhǔn)確度影響因素描述應(yīng)變片的精度應(yīng)變片本身的材料、工藝等因素影響其精度。電橋電路的精度電橋電路的平衡性和元件的精度影響測量結(jié)果。信號放大和調(diào)理電路的精度放大和調(diào)理電路的增益和線性度會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。環(huán)境因素的影響溫度、濕度、振動等環(huán)境因素也會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。應(yīng)變計(jì)的溫度特性100溫度影響應(yīng)變計(jì)的電阻值會隨溫度變化，影響測量精度。5補(bǔ)償措施可以使用溫度補(bǔ)償方法，減小溫度影響。30溫度范圍應(yīng)變計(jì)的正常工作溫度范圍有限。應(yīng)用案例分析電阻應(yīng)變式傳感器在各個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，例如：橋梁和建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測汽車和飛機(jī)等交通工具的應(yīng)力分析