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了解应变计

无源传感器(例如应变仪)将机械位移转换为电阻变化。它是一种薄的、类似晶片的设备,可以测量施加的应变,并且可以通过适当的粘合剂连接到各种材料。紧随其后的应变使附着在结构上的应变片在受压时变形。它增加了仪表的电阻率,从而产生与变形成比例的电信号。当受到位移时,应变片位移传感器包括附在应变片上的弹性变形结构。

在本文中,您将了解应变计的定义、应用、要求、零件、图表、类型、工作、优点和缺点。

什么是应变片?

应变仪(也称为应变仪)是一种测量物品上的应变量的设备。最常见的应变计类型由 Edward E. Simmons 和 Arthur C. Ruge 于 1938 年发明,由支持金属箔图案的绝缘柔性背衬组成。使用适当的粘合剂(例如氰基丙烯酸酯)将量规连接到物品。随着物体变形,箔片也会变形,从而改变电阻。仪表因数是与电阻变化相关的一个量,通常使用惠斯通电桥来测量。

工程师经常使用应变仪来测量外力对物体的影响。它们直接测量应变,可用于推断应力、扭矩、压力、挠度和各种其他指标。

应变是一种无量纲测量,即物体变化长度与其初始长度的比值。结果,当材料被拉伸时会出现正应变,而当材料被压缩时会出现负应变。应力定义为施加的力除以物体的初始横截面积或物体的内部抵抗能力。

应用

应变仪通常用于土木工程和岩土工程监测,以识别桥梁、建筑物和其他结构等结构的故障。由于任何相当大的变形都可能导致受伤或死亡,因此必须不断监测这些结构。这些量规因其高精度、能够在距测试对象很远的距离以及易于长时间设置和维护而被广泛使用。

在户外进行测试通常与在理想条件下在实验室进行测试不同。应变计如此有价值的原因之一是它们可以在恶劣的条件下使用并产生可靠的高精度数据。当工程师在难以接近设置的恶劣位置测试形状不规则的产品时,经常需要像应变仪这样的专用小工具。例如,在航空航天应用中使用数百万个应变仪来检查 CAD(计算机辅助设计)和 FEA(有限元分析)模拟的结果。这些测试经常在动态条件下进行,以便真实地描述各种力如何影响飞机。

静态测试也经常使用应变仪进行。一些网桥使用无线遥测技术,通过以太网发送测试结果。另一方面,其他桥梁经过目视检查或渗透测试以检测表面缺陷。虽然这些技术具有成本效益,但它们不允许持续检查,这可能导致灾难性倒塌,如 I-35 明尼阿波利斯钢桁架桥。联邦政府在 1990 年将该桥指定为“结构薄弱”,这意味着它必须接受年度检查。由于缺乏持续的应变仪监测、重大维修或更换,这座桥最终在 2007 年倒塌,造成 13 人死亡。以下是应变片的常见应用:

应变片材料要求

一个好的应变计必须能做到以下几点:

应变片示意图:

应变片的种类

市场上有几种类型的应变计。以下是各种类型的应变片:

以下是您可能会遇到的一些其他类型的污渍量规:

半导体应变仪,也称为压阻式,通常比箔式应变仪更适合测量小应变。半导体规的规规系数通常高于箔规的规规系数。半导体量规通常比箔量规更昂贵、对温度更敏感、更精密。

由纳米颗粒制成的应变仪似乎是一种很有前途的新技术。由于它们的高阻抗,这些具有由导电纳米颗粒(如金或碳)组装而成的有源区域的电阻式传感器具有高规格系数、大变形范围和低功耗。

橡胶包汞应变计用于生物测量,特别是血流和组织肿胀。例如,这种应变计由包裹在一个小橡胶管中的少量液态汞组成,该橡胶管缠绕在脚趾或腿上。当身体部分膨胀时,它会导致管子膨胀,使其更长更薄,从而增加电阻。

为了与光纤一起测量应变,可以使用光纤传感。测量可以随光纤在随机位置或在指定点进行。 2010 年美洲杯帆船赛 Alinghi 5 和 USA-17 均采用了此类嵌入式传感器。

应变也可以使用其他光学技术进行测量,例如电子散斑干涉法或数字图像相关法。

MEMS 中经常使用微型应变仪来监测由力、加速度、压力或声音引起的应力。例如,MEMS 加速度计经常用于激活汽车中的安全气囊。集成光学环形谐振器可用于监测微光机电系统中的应变,作为耐压应变计(MOEMS)的替代品。

电容式应变片采用可变电容检测机械变形程度。

岩土工程和土木工程应用使用振弦式应变仪。一根振动的、张紧的金属丝构成了量规。应变是通过确定导线的共振频率来计算的(张力的增加会提高共振频率)。

岩土工程应用也使用石英晶体应变仪。 DART 的关键传感器是带有谐振石英晶体应变仪和波登管力收集器的压力传感器。 DART 在海洋最深处检测海啸波。在数公里深度监测压力时,压力分辨率约为1mm水。

工作原理

应变计的工作非常有趣,它不那么复杂且易于理解。观看下面的视频,直观地了解应变计的工作原理。

应变片的优缺点

优点:

以下是应变片在各种应用中的优势:

缺点:

尽管应变仪具有优势,但仍然存在一些限制。以下是应变片在各种应用中的缺点。

结论

无源传感器(例如应变仪)将机械位移转换为电阻变化。它是一种薄的、类似晶片的设备,可以测量施加的应变,并且可以通过适当的粘合剂连接到各种材料。紧随其后的应变使附着在结构上的应变片在受压时变形。这就是本文的全部内容,其中讨论了应变计的定义、应用、要求、零件、图表、类型、工作、优点和缺点。

我希望你从阅读中学到很多东西,如果是这样,请与其他学生分享。感谢阅读,再见!


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