《应变式传感器》课件

应变式传感器应变式传感器是一种能够将机械应变转换为电信号的传感器设备通过测量材料在受力作用下的应变变化,可以实现对载荷、位移等物理量的检测和测量应变式传感器简介定义工作原理广泛应用应变式传感器是一种利用它通过材料的电阻变化或应变式传感器被广泛应用材料受外力作用而发生变电容变化等物理效应,将外于工业控制、机械制造、形而产生电信号变化的传加力、压力、扭矩等机械汽车电子、生物医学等领感器，能将机械量转换为量转换为电信号,从而实现域,是一种重要的测量装置电量机械量的测量应变式传感器的工作原理应变检测1应变式传感器利用材料在受力时产生的形变量来检测外部作用力电信号转换2这种形变会引起材料电阻的变化,传感器将其转换为电信号信号放大3采用电路放大微弱的电阻变化信号,得到可测量的输出信号应变式传感器利用材料在受力作用下产生的形变来检测外界作用力这种形变引起材料电阻的变化,传感器将其转换为电信号,并采用电路放大微弱的电阻变化信号,最终获得可测量的输出这一原理是应变式传感器的工作基础应变计的构造应变计由敏感元件和测量电路两部分组成敏感元件通常采用金属箔或半导体材料制成，受到外界应力的作用会产生可测量的电阻变化测量电路包括励磁电路和信号放大电路，用于检测和放大这种电阻变化通过电路设计可以提高测量精度和稳定性应变计的材料金属材料半导体材料应变计常使用金属材料,如钢、铝、铜等,半导体材料如硅、锗制成的应变片,具有较具有良好的电导性和机械性能高的应变敏感度光纤材料压电材料光纤应变计采用光纤材料,能实现远程、抗压电陶瓷材料可直接转化应变信号为电信电磁干扰的应变测量号,应变计用其制成传感器应变计的种类金属应变计半导体应变计光纤应变计压电应变计金属应变计是基于金属材料半导体应变计利用半导体材光纤应变计通过光纤的光学压电应变计利用压电材料在电阻变化的原理而制造的应料电阻随应变变化的原理制特性变化来测量应变,具有受力时产生电荷的特性来测变传感器,具有简单、稳定造而成,具有灵敏度高、尺抗电磁干扰、体积小等特点量应变,具有灵敏度高、响可靠等特点,广泛应用于多寸小等优点,广泛应用于建筑、航空等应快等优势,常用于力/压力种场合领域检测金属应变计基于金属的电阻变化耐高温性能好金属应变计利用金属材料在金属应变计材料选用具有优受到应力时电阻会发生改变良的热稳定性，能够在高温这一原理来测量应变环境中稳定工作应用广泛金属应变计广泛应用于机械、航天、土木等领域的应变测量与分析半导体应变计高灵敏度体积小巧能耗低半导体应变计利用半导体材料的半导体应变计尺寸小巧,可应用于半导体应变计的功耗一般较低,适压阻效应,能检测微小的应变变化紧凑型或微型设备中,满足现代测用于需要长时间工作的便携式设,灵敏度远高于金属应变计量技术的需求备光纤应变计优势Fabry-Perot干涉仪波分复用光纤应变计具有体积小、抗干常用的光纤应变计采用Fabry-采用波分复用技术可以同时监扰强、线性度好、动态范围广Perot干涉仪结构,通过监测光测多个测量点,大大提高了系等特点,在工业、航空、军事纤端面反射的光强来检测应变统的测量能力和可靠性等领域广泛应用变化工作原理光纤应变计利用光纤内部的微弱应变引起光纤折射率和光程长度发生变化的原理来测量应变应变导致光纤的光学特性发生变化，从而影响光信号的传输压电应变计压电效应压电应变计利用压电材料的压电效应,当施加外力时材料会产生电荷,从而测量应变高灵敏度压电应变计具有很高的灵敏度,可以测量微小的应变,适用于动态测量简单电路压电应变计的电路简单,无需复杂的调节和电源,输出信号直接与应变成正比应变式传感器的性能指标测量范围传感器能够检测的应变量的大小范围灵敏度传感器输出与输入之间的转换比例,衡量传感器的检测能力精度传感器测量值与实际值之间的偏差程度线性度传感器输出与输入之间的线性关系程度重复性传感器在同一输入条件下连续测量结果的一致性稳定性传感器在一段时间内测量性能的保持程度动态响应传感器测量结果与输入变化之间的时间关系应变的定义与单位应变的定义应变单位应变是物体在受力作用下发常用的应变单位有微应变生形变所引起的相对长度变με和百万分之一μ/m化它是一个无量纲的物理1με=1μ/m，即1×10^-6量测量方法应变通常利用应变计来测量,并通过电桥电路将应变信号转换成电压或电流信号应变的测量方法直接法1通过测量受力部位的实际长度变化来计算应变值适用于可直接测量的情况间接法2利用应变计等传感器,根据物理量的变化间接测量应变可广泛应用于各种情况数字法3采用数字信号处理技术,通过计算机软件自动分析测量信号,获得应变值精度高、自动化程度高应变计电路应变计电路是用来测量应变的关键电路通过将应变计接入电桥电路,可以测量出应变值常见的应变计电路包括布里奇电路和半导体应变计电路等这些电路设计合理,能够准确捕捉应变信号,为结构应力监测等应用提供可靠数据布里奇电路电路输入1电压或电流信号桥式电路2由四个电阻组成的电路电路输出3检测到的应变信号布里奇电路是应变式传感器中常用的电路它由四个电阻组成,其中一个电阻为应变计,当应变计受到应力变形时,电阻值发生变化,从而导致桥式电路的输出电压也发生变化,这就可以测量出应变大小示波器与计算机测量示波器测量计算机测量信号处理软件示波器是一种使用电子扫描的仪器,可采用计算机辅助收集、处理和分析应专业的信号处理软件可以对采集的应以显示电信号的波形,为应变测量提供变数据,可以实现数字化存储、分析和变数据进行滤波、放大、积分等处理,实时的波形观察与分析展示,提高测量的精度和效率为应变分析提供强大的数字化工具应变式传感器的应用领域结构应力测试机械振动监测12应变式传感器可以准确测量建筑物、桥梁和机械设备等应变计可以实时监测机械设备的振动情况,从而及时发现各种结构的应力和变形情况故障并预防事故发生生物信号监测压力传感器34柔性应变计可以贴在皮肤上监测人体肌肉、关节等部位应变式传感器广泛应用于压力测量,如气压、液压、腔压的生物信号变化等领域结构应力测试无损检测结构健康监测结构优化设计应变式传感器可以无损地测量结构受持续使用应变式传感器可以检测结构应变测量数据可以为结构设计提供有到的应力和应变情况,有助于准确掌握是否出现疲劳、断裂等问题,帮助及时价值的反馈,支持优化设计,提高结构的结构在实际工作条件下的运行状态发现隐患,确保结构安全可靠耐久性和可靠性机械振动监测高精度振动测量故障诊断分析在线实时监测专业的振动测试仪可以准确测量设备通过分析振动数据,可以及时发现机械将传感器安装在关键设备上,可以持续的振动特征,为维护保养提供数据支持设备存在的潜在问题,为故障预防提供监测运行状态,及时预警异常情况依据生物信号监测生理信号监测行为分析12通过检测心电、脑电、肌对生物信号进行分析,可以电等生物电信号,可以监测推测人体的行为状态,如压人体的生理状态,如心率、力水平、情绪变化等呼吸、肌肉活动等医疗诊断3生物信号监测在医疗领域广泛应用,有助于疾病的检测和诊断,提高医疗水平压力传感器工作原理常见类型压力传感器通过检测施加于其上的压力变化而产生电信号输出其中应变式常见的压力传感器包括电容式、电阻式、压电式和光纤式等它们各有特点,压力传感器利用应变计测量压力引起的机械变形，从而转换为电信号适用于不同场合,如工业、医疗等领域力传感器测量力的大小检测变形和应变力传感器能精确测量施加在通过测量传感器本身的变形传感器上的力的大小，广泛和应变，可以计算出作用在应用于机械、电子、航空航传感器上的力的大小和方向天等领域转换成电信号力传感器能将机械力转换成可测量的电信号输出，为后续的分析和控制提供依据应变式传感器的优缺点优点缺点应变式传感器具有灵敏度高、响应速度快、结构简单、制但应变式传感器也存在一些缺陷,如易受环境影响、温度漂造成本低等优点它们可以可靠地测量各种应变和应力移大、线性误差相对较大等需要精密的电子电路来处理传感器输出信号优点测量精度高可靠性高线性响应应变式传感器可以提供高达百万分之应变式传感器的结构简单,无摩擦件和应变式传感器的输出信号与测量量之一的测量精度,在对精度要求很高的应机械连接,有很高的可靠性和耐久性间呈现良好的线性关系,便于校准和数用中非常适用据处理缺点信号干扰敏感应变式传感器在工作过程中,容易受到环境电磁干扰,影响测量精度温度依赖性强应变式传感器的输出通常会随环境温度变化而产生漂移,需要进行温度补偿容易疲劳断裂应变式传感器在长期重复使用下容易出现疲劳破坏,影响使用寿命应变式传感器的发展趋势新型材料应变式传感器正在朝着更高灵敏度、更宽量程的方向发展，体现在新型应变敏感材料的广泛应用微型化小型化和集成化是未来的主要趋势，有利于减小传感器尺寸、降低功耗并提高可靠性智能化新一代应变式传感器正朝着更智能化发展，具有自诊断、自修复等功能，大大提高使用寿命新型材料碳纳米管智能材料12碳纳米管具有优异的机械利用形状记忆合金等智能强度和电导率,为应变计的材料,可以制造出具有自修新材料提供了可能复能力的应变计柔性电子3柔性传感器可以实现更好的适应性和集成性,为应变计应用打开新的市场微型化小型化传感器低功耗设计应变式传感器正朝着更小、小型化传感器能够降低功耗,更轻的方向发展,能更好地集延长工作时间,适用于各类移成到各种设备中这有助于动设备和可穿戴设备这有提高系统的整体性能和可靠助于提高能源利用效率性智能集成小型化传感器可以与信号处理电路、无线通信模块等集成在同一芯片上,实现智能化和无线化,提高系统的集成度和便携性智能化智能监测智能制造智能穿戴智能传感器不仅能测量物理参数,还可将应变式传感器集成到智能制造机器基于应变式传感器的可穿戴设备能精进行数据分析和预警,提高监测效率和人中,可实时监测工艺参数,优化生产流确捕捉生物信号,为健康监测和生活助精度程理提供数据支持总结应变式传感器的关键特性未来发展方向应变式传感器具有高灵敏度随着新材料、微加工和智能、快速响应和可靠性等优异化技术的进步,应变式传感器性能,广泛应用于结构监测、将实现进一步的小型化、集振动分析和生物信号检测等成化和功能增强领域发展前景广阔随着工业自动化和智慧城市建设的不断推进,应变式传感器必将在各领域发挥重要作用,在未来有广阔的应用前景未来展望新材料的应用微型化与集成化智能化与联网广泛应用领域随着科技的进步,未来应变应变式传感器将朝着更小未来的应变式传感器将具应变式传感器将在结构健式传感器有望采用更加先型化和集成化的方向发展,有更强的信号处理能力和康监测、机器人控制、生进的材料,如碳纳米管和石融合电子、光学和微机电自主诊断功能,并能与物联物医疗等更多领域得到广墨烯,提高传感器的灵敏度系统技术,实现更高的集成网系统无缝连接,实现更智泛应用,为科技发展和人类和稳定性度和便携性能化和网络化生活带来更多便利。