1.4 传感器中的弹性敏感元件（课件）-高一《传感器及应用》同步精品课堂（高教版—第2版）

1.4 传感器中的弹性敏感元件 传感器及应用 第一章 常用低压电器 1 学习目标 知识目标 熟悉和掌握传感器中的弹性敏感元件。 能力目标 理解和运用弹性敏感原件的基本特性和弹性敏感元件的形式和基本应用范围等内容。 情感目标 注重基本概念、基本原理、基本方法的阐述，并考虑中等职业教育的特点，避免了理论推导，增强了实际应用等方面的知识。 新课导入 思考：分小组讨论和总结弹性敏感元件的形式及应用范围。 新知学习 一 、弹性敏感元件的基本特性 物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形，如果在外力去掉后能完全恢复其原来 的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形，具有这类特性的物体称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。 新知学习 一 、弹性敏感元件的基本特性 弹性敏感元件是许多传感器及检测仪表中的基本元件，它往往直接感受被测物理量(如力、压力等)的变化，并将其转化为弹性元件本身的应变或位移，然后由各种形式的传感元件把它转变为电量。 新知学习 一 、弹性敏感元件的基本特性 弹性敏感元件的输入量与输出量之间的关系，称为弹性敏感元件的基本特性。弹性敏感元 件的基本特性包括刚度、灵敏度、弹性滞后和弹性后效等，其中刚度和灵敏度是表征弹性敏感 元件的重要指标。 新知学习 1. 刚度 一 、弹性敏感元件的基本特性 刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的外部作用力(或压力),其表达式为 F作用于弹性元件上的外力； x弹性元件产生的变形。 新知学习 2. 灵敏度 一 、弹性敏感元件的基本特性 灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件在承受单位输入量 (力、压力等)时所产生的变形大小， 一般用K 表示，即 在非电量检测中往往希望弹性灵敏度为常数，此时弹性敏感元件的弹性特性是线性的，即K=x常数。 新知学习 根据弹性敏感元件在传感器中的作用，对它提出了一些要求，如具有好的弹性特性、足够的精度、长期使用和温度变化时的稳定性等。因而对制作弹性敏感元件的材料提出了多方面的 要求，如弹性模量的温度系数要小，线膨胀系数小且恒定，有良好的机械加工和热处理性能等。我国通常使用合金钢、碳钢、铜合金和铝合金等材料制作弹性敏感元件。 二 、弹性敏感元件的形式及应用范围 新知学习 1. 弹性敏感元件的形式 传感器中弹性敏感元件的输入量通常是力(力矩)或流体压力(统称压力),即使其他非电被测量输入给弹性敏感元件，也是先将它们变换成力或压力再输入给弹性敏感元件。弹性敏感元件输出的是应变或位移(线位移或角位移),即弹性敏感元件将力或压力变换成应变或位移。因此，弹性敏感元件形式上基本分成两大类，即力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。 二 、弹性敏感元件的形式及应用范围 新知学习 1. 弹性敏感元件的形式 变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁、扭转轴等。变换压 力的弹性敏感元件通常有弹簧管、波纹管、等截面薄板、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒和薄壁半球等。 二 、弹性敏感元件的形式及应用范围 新知学习 2. 变换力的弹性敏感元件 (1)等截面轴 等截面轴又称柱式弹性敏感元件， 可以是实心柱体或空心圆柱体，如图所示。 二 、弹性敏感元件的形式及应用范围 新知学习 2. 变换力的弹性敏感元件 (2)环状弹性敏感元件 环状弹性敏感元件多做成等截面圆环，如图1-6a所示，圆环有 较高的灵敏度，因而它多用于测量较小的力。圆环的缺点是加工困难，环的各个部位的应变及 应力都不相等。当外力F 作用在圆环上时，环上的A、B 点处可产生较大的应变。当环的半径 比环的厚度大得多时，A 点 或B 点内外表面的应变大小相等、符号相反。图1-6b 所示是变截 面圆环，与上述圆环不同处是增加了中间过载保护缝隙。它的线性较好，加工方便，抗过载能 力强，目前应用较多。在该环的A、B 段可得到较大的应变，且内外表面的应变大小相等、符号相反。 二 、弹性敏感元件的形式及应用范围 新知学习 2. 变换力的弹性敏感元件 二 、弹性敏感元件的形式及应用范围 新知学习 2. 变换力的弹性敏感元件 (3)悬臂梁 悬臂梁是一端固定、另一端自由的弹性敏感元件。按截面形状又可分为等 截面矩形悬臂梁和变截面等强度悬臂梁，如图1-7所示。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，常用于较小力的测量。 二 、弹性敏感元件的形式及应用范围 新知学习 2. 变换力的弹性敏感元件 (4)扭转轴 如图1-8所示为扭转轴式弹性敏感元件，当自由端受到转矩 T 的作用时， 扭转轴的表面会产生拉伸或压缩应变，在轴表面上与轴线成45°方向(图1-8的AB 方 向 ) 产 生应变ε,而图1-8中AC方向所产生的应变与AB 方