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）

2.2弹性敏感元件 ●变形：物体在外力作用下改变原来的尺寸或形状的 现象。 ●弹性变形：如果外力去掉后物体能够完全恢复原来 的尺寸和形状的变形。 ● 弹性元件：具有弹性变形特性的物件 ● 弹性敏感元件是通过物体弹性变形这一特性，把 力、力矩或压力转换成为相应的应变或位移，然 后配合其它各种形式的传感元件，将被测力、力 矩或压力转换成电量的一种元件。 弹性特性 作用在弹性敏感元件上的外力与该外力引起 的相应变形(应变、位移式转角)之间的关系称 为弹性元件的弹性特性。弹性特性可由刚度或灵 敏度来表示。 弹性敏感元件的基本特性 F— 作用在弹性元件上的外力； X—— 弹性元件产生的变形。 刚度可以反映元件抵抗弹性变形能力的强弱。 弹性敏感元件的基本特性 X 灵敏度就是单位力作用下产生变形的大小 (并联) (串联) m —— 并联或串联弹性敏感元件的数目； Sn—— 第i个弹性敏感元件的灵敏度。 弹性敏感元件的基本特性 二、灵敏度 弹性敏感元件的基本特性 弹性滞后 对弹性元件进行加载，可绘制一条弹性特性曲线， 然后卸载，可绘制另一条弹性特性曲线。两条曲线往 往并不重合，这种现象称为弹性滞后。 弹性变形之差，叫做弹性敏感元件的滞后误差。 ● 曲线1、2所包围 的范围称为滞环。 弹性敏感元件的基本特性 弹性后效 弹性元件上载荷发生改变时，相应的变形往往 不能立即完成，而是在一个时间间隔内逐渐完成， 这种现象称为弹性后效。 F₀| 弹性敏感元件的基本特性 固有振动频率 弹性敏感元件的动态特性和被测载荷变化时 的滞后现象等，都与元件的固有振动频率有关。 固有振动频率有多阶，通常只关心其中的最 低阶，且一般地总希望弹性敏感元件具有较高的 固有振动频率。 固有频率的计算比较复杂，只有少数规则形 状的弹性元件具有理论解，所以实际中常常通过 实验来确定。 弹性敏感元件的材料 ◆弹性敏感元件在传感器中直接参与变换和测量，因此 材料的选用十分重要。在任何情况下，材料应保证具有 良好的弹性，足够的精度和稳定性。 通常使用的材料为合金结构钢、铜合金、铝合金 等。铬锰弹簧钢和铬钒弹簧钢具有优良的机械性能，可 用于制作承受交变载荷的重要弹性敏感元件。黄铜可用 于制造受力不大的弹簧及膜片。德银用于制造抗腐蚀的 弹性元件。锡磷青铜用于制造一般的弹性元件或抗腐蚀 性能好的弹性元件。铍青铜用于制造精度高、强度好的 弹性敏感元件。不锈钢用于制造强度高、耐腐蚀性好的 弹性敏感元件。 弹性敏感元件的材料 对弹性敏感元件材料的基本要求归纳如 下： (1)弹性滞后和弹性后效要小； (2)弹性模量的温度系数要小； (3)线膨胀系数要小且稳定； (4)弹性极限和强度极限要高； (5)具有良好的稳定性和耐腐蚀性； (6)具有良好的机械加工和热处理性能。 弹性敏感元件的特性参数计算 弹性圆柱 柱形弹性敏感元件主要用于电阻应变式拉力 (压力)传感器中。 弹性敏感元件的特性参数计算 弹性圆柱上任一 点处在与轴线成&角的截面 上的应力、应变为 (α=90°)的应力、应变为 σ= 弹性圆柱上各点在垂直于轴线的截面上 F E 弹性敏感元件的特性参数计算 在平行轴线的截面上 (C=0°) 应力、应 变为 弹性敏感元件的特性参数计算 ◆圆柱应变的一般表达式为 AE ◆圆柱内各点的应变大小决定于圆柱的灵敏度结 构系数、横截面积、材料性质和圆柱所承受的 力，而与圆柱的长度无关。 ◆为了提高灵敏度，应当选择弹性模量小的材料， 此时虽然相应的固有频率降低了，但固有频率降 低的程度比应变量的提高来得小，总的衡量还是 有利的。不降低应变值来提高固有频率必须减短 圆柱的长度或选择密度低的材料。 弹性敏感元件的特性参数计算 ● 柱形弹性元件的固有频率f₀为 弹性敏感元件的特性参数计算 上述所有结论同时适用于空心截面和实心截面 的圆柱弹性敏感元件。 空心截面的弹性元件在某些方面优于实心元件： 在同样的截面积情况下，空心截面圆柱的外直径 可以较大，因此圆柱的抗弯能力大大提高；另外， 较大直径圆柱对于由温度变化而引起的曲率半径 相对变化敏感程度较小，从而使温度变化对测量 的影响减小。但应注意的是，如果空心圆柱的壁 太薄，受压力作用后将产生较明显的屈曲变形 (桶形变形),影响测量精度。 弹性敏感元件的特性参数计算 悬臂梁 ● :悬臂梁是一端固定一端自由的金属梁。 作为弹性敏感元件，它的特点是结构简单， 加工方便，适用于较小力的测量。 根据梁的截面形状不同又可分为等截面梁和 等强度梁。 弹性敏感元件的特性参数计算 一、等截面梁 随着位置x的不同，在梁上各个位置所产生