2.2弹性敏感元件（课件）《传感器检测技术》同步教学课件（机械工业出版社）

第2章力、压力传感器 2.2弹性敏感元件 学习目标 了解弹性敏感元件的定义、特性及分类 介绍 力是物理基本量之一，因此各种动态、静态力的大小的 测量十分重要。分重要。 力的测量需要通过力传感器间接完成，力传感器是将各 种力学量转换为电信号的器件。 力传感器的测量示意图 力敏感 元件 转换 元件 显示 设备 F 介绍 弹性敏感元件：可以把力或压力转换成应变或位移，然 后再由传感器将应变或位移转换成电信号。(P72) 要求： 应具有良好的弹性， 足够的精度， 应保证长期使用和温度变化的稳定性。 弹性敏 感元件 应变 电桥 应变片 电压 电阻 应变 力 一、弹性敏感元件的结构特性 1.刚度：在外力作用下变形大小的量度。 2.灵敏度：单位力作用下变形的大小。 (刚度的倒数) 3.弹性滞后：加/卸载的正反行程中变形曲线不重合。 4.弹性后效：变形需经过一定的时间间隔。 5.固有振荡频率：固有特性，传感器的工作频率应避开。 二、弹性敏感元件的分类 弹性敏感元件在形式上可分为两大类 ，一类将物体间的一 般相互作用力转换为应变或位移，另一类则专门用于流体压力 的转换。 (P73) 1.变换一般作用力的弹性敏感元件 如图所示为常见的几种变换力的弹性敏感元件结构。 变换力的弹性敏感元件形状 (f) 等截面悬臂梁 (g) 等强度悬臂梁 (c) 等截面圆环形 (e) 等截面薄板 (b) 空心圆柱形 (a) 实心柱形 二、弹性敏感元件的分类 1.等截面圆柱式弹性元件 等截面圆柱式弹性元件根据截面形状可分为实心圆截面形 状弹性元件及空心圆截面形状弹性元件。 它们的结构简单，可承受较大的载荷，便于加工。 实心圆柱形的弹性元件可测量大于10kN 的力，而空心圆柱形 的弹性元件只能测量1～10kN 的中等力。 (a) 实心柱形 (b) 空心圆柱形 二、弹性敏感元件的分类 2.圆环式弹性元件 圆环式弹性元件比圆柱式弹性元件输出的位移量大，因而具 有较高的灵敏度，适用于测量较小的力。 但它的工艺性较差，加工时不易得到较高的精度。由于圆环 式弹性元件各变形部位应力不均匀，采用应变片测力时，应将应变 片贴在应变最大的位置上。 (c) 等截面圆环形 二、弹性敏感元件的分类 3.等截面薄板式弹性元件 由于它的厚度比较小，因此又称它为膜片。 当膜片边缘固定，膜片的一面受力时，膜片产生弯曲变形，因而 产生径向和切向应变。在应变处贴上应变片，就可以测出应变量， 从而可测得作用力F的大小。也可以利用它变形产生的挠度组成 电容式或电感式力或压力传感器。 (e) 等截面薄板 二、弹性敏感元件的分类 4.悬臂梁式弹性元件 悬臂梁式弹性元件是一个一端固定， 一端自由的弹性元件。 它的结构简单，加工方便，应变和位移较大，适用于测量I～5kN 的 力。 当悬臂梁式弹性元件的自由端加有作用力时，梁产生弯曲，梁 的上表面拉伸，下表面压缩。由于它的表面各部位的应变不同，因 此应变片要贴在合适的部位，否则将影响测量的精度。 (g) 等强度悬臂梁 (f) 等截面悬臂梁 (d) (e) (f) 变换压力的弹性敏感元件 (a)弹簧管； (b)波纹管； (c)等截面薄板；(d)膜盒； (e)薄壁圆筒； (I)薄壁半球 二、弹性敏感元件的分类 2.变换流体压力的弹性敏感元件 (a) (b) (c) 二、弹性敏感元件的分类 2.变换流体压力的弹性敏感元件 (1) 弹簧管 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α D形 C形 弹簧管结构 扁椭圆形 纺锤形 长方形 葫芦形 二、弹性敏感元件的分类 2.变换流体压力的弹性敏感元件 (1) 弹簧管 当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转 动，从而带动电位器的电刷产生角位移。 二、弹性敏感元件的分类 (1) 弹簧管 使用弹簧管注意以下两点： ①静止压力测量时，不得高于最高标称压力的2/3 ; 变动 压力测量时，要低于最高标称压力的1/2 ; ②对于腐蚀性流体等特殊测量对象， 要了解弹簧管使用 的材料能否满足使用要求。 D形 C形 扁椭圆形 纺锤形 长方形 葫芦形 (2) 波纹管 波纹管是由许多同心圆环状皱纹的薄壁圆管构成，如下图所 示。波纹管可以将压力转换成位移量，主要用做测量和控制压 力的弹性敏感元件，由于其灵敏度高，在小压力和压差测量中 使用较多。 二、 弹性敏感元件的分类 (3)波