传感器技术B 3.ppt

1、引言 变形：物体在外力作用下，形状或尺寸的改变。 弹性变形 弹性元件：具有弹性变形特性的物体。 弹性敏感元件作用：把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移; 然后由各种转换元件，将被测力、力矩或压力转换成电量。,三.传感器中的弹性敏感元件,3.1弹性敏感元件的基本特性,弹性敏感元件的主要性能有： 弹性特性、灵敏度，刚度、谐振频率、 品质因数、安全系数等。 1.弹性特性 作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形（应 变、位移或转角）之间的关系。 2.刚度 弹性敏感元件在外力作用 下抵抗变形的能力。,3.灵敏度 灵敏度是刚度的倒数 弹性敏感元件的连接方式： 串联 并联,弹性敏感元件的基本特性,4

2、.弹性滞后 弹性元件在弹性变形范围 内，弹性特性的加载曲线 与卸载曲线不重合的现象。 原因 弹性敏感元件在工作时， 其材料分子间存在内摩擦。,弹性敏感元件的基本特性,5.弹性后效 弹性敏感元件所加载 荷改变后，不时立即 完成相应的变形，而 是在一定时间间隔中 逐渐完成变形的现象。 固有频率 估算： K刚度 等效震动质量,6谐振频率：弹性敏感元件的固有频率决定其动态特性，一般来说，固有频率越高，动态特性越好。弹性元件是一个质量连续分布的系统，可以有无穷多个谐振点，一般最关心谐振频率的最低一个，称为基频。敏感元件的谐振频率可由计算获得，但必须由实验校正。可用下式估计：,me元件的等效振动质量，k元

3、件的弹簧常数,7.安全系数： 安全系数反映敏感元件的承载能力，用下式表示：,表示材料单位面积的受力，即应力 ，单位为Pa。F为受力或载荷， A为承载面积, 表示材料的许用应力。安全系数越大，敏感元件的过 载能力越强，但可能体积越大，越笨重。一般以1.55为宜。,除上述特性外，还有材料的蠕变、温度特性等,3.2常用弹性元件的结构和性能,常用弹性元件主要有： 环形结构、梁、膜片式结构、波纹管和 波登管、谐振结构，它们的性能取决于 元件的结构和材料的力学特性。,1、基本拉压 ：材料受力变形的最基本形式是拉压变形，由下式计算： 式中：为应变，即单位长度的变形， 因此它是一个无量纲，习惯上将10-6称为

4、一个微应变；l 是受力后发生的变形，l为受载变形长度；E为材料的弹性模量，单位Pa，它是一个仅与材料有关的参数。一般材料受力方向称为纵向，受力发生纵向变形的同时，横向也会发生变形，用x或y表示，则有下述关系： y, 称为泊松比，泊松比是材料的基本力学参数，一般钢材可取0.25，其它材料可从有关手册查得。 等截面杆件、等壁厚圆筒可视为基本拉伸结构。,2、弹性梁: 变形以弯曲为主的结构称为弹性梁。按支承形式可分有悬臂梁、简支梁等；按承载特性可分有等截面梁、等强度梁等。只有一端支承的梁称为悬臂梁结构，如图所示。 等截面梁 图中，b为悬臂梁截面宽度，l为力的作用点距固定端的长度，h为梁的厚度，x为测试

5、点的位置。,3、环形结构,称重式传感器中常用到如左图所示的圆环形结构。 右图所示的扁环形结构也常用于测量力传感器;,4、膜片式结构,膜片式结构可用于测量与微小位移有关的量。虽然膜片的结构非常简单，但应力分布却比较复杂，按膜的形状可分为平膜片、带硬中心的膜片和波纹膜等，按受力方式可分为集中力载荷和均布力载荷，按应力的性质可分为厚膜和薄膜。膜受载后变形，中心的挠度0最大。设膜厚为h，如果0/h1/3，则可按厚膜计算，厚膜的变形以弯曲为主，膜的拉压处于次要地位；如果0/h5，则按薄膜计算，认为薄膜是柔软的，无弯曲刚度和弯曲应力，膜的变形以拉压为主。 1)平膜 平膜适合与测量受均布载荷的情形， 圆形平

6、膜的结构如图所示，,2)带有硬中心的膜片,在传感器中，带有硬中心的膜片也有广泛的应用，其特征是膜的中心很厚，可以认为是刚体。常利用硬中心将均布压力转换为集中力，在小位移下有较高的应力，因而有更高的灵敏度。 硬中心的薄膜受均布载荷,5、弹性谐振元件 : 弹性谐振元件能将被测量转变成频率信 号，常用的谐振元件有振动弦、振动梁、振动膜和振动筒。 6、其它结构 传感器器还常采用波纹管和波登管作敏感元件。波纹管是 具有规则形状的圆形薄壳，在轴向力、径向力或扭矩的作 用下能产生相应的位移，按波纹成型方法可分为无缝波纹管 和有缝波纹管。无缝波纹管采用液压成型，已经有完整的规 格系列；有缝波纹管采用膜片冲压成型，再沿周边焊接的工 艺制造，其性能优越，在精密仪器中应用广泛。,(a)圆形截面 (b)蝶形截面 图 波纹管,3.3弹性敏感元件的材料,对弹性元件材料的性能有以下要求：强度高，弹性极限高；有较高的冲击韧性和疲劳极限；弹性模量的温度系数小而稳定热处理后有均匀稳定的组织，且各向同性；热膨胀系数小；具