3.1 弹性敏感元件简介（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（电工版）

返回 1.变换力参量的弹性敏感元件 2.变换压力参量的弹性敏感元件 3.1弹性敏感元件简介 1 1 变换力参量的弹性敏感元件 电阻应变式测力装置 力的测量可以在被测对象上直接布片组桥，也可以在弹性元件上布片组桥，组成各种测力仪。 常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐式等多种形式。电阻应变式测力仪具有结构简单、制造方便、精度高等优点。 柱式弹性元件 F F 实心圆柱 F F 空心圆柱 F — 作用在弹性元件上的外力； E — 材料的弹性模量； A — 圆柱的横截面积； 力的测量 (12/23) 2 实心圆柱弹性元件 灵敏度与横截面积 A 成反比，但 A 的减小受到允许应力和线性要求的限制，同时，A的减小会对横向力干扰敏感。 空心圆柱弹性元件 空心圆柱（圆筒）式弹性元件多用于小集中力的测量。 一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱中部表面并通过电桥连接以尽可能消除偏心和弯矩的影响。 R1 R'1 R'4 R'3 R'2 R2 R3 R4 P P (a) R2 R'2 R1 R'1 R'3 R3 R4 R'4 a b c d (b) 力的测量 (13/23) 3 梁式弹性元件 F h b l l0 R1 R3 等截面梁 当力作用在自由端时，刚性端截面中产生的应力最大，而自由端产生的挠度最大。 在距离受力点为 l0的上、下表面，沿 l 向贴电阻应变片R1和R3，R2和R4贴在反面对称位置。该处的应变为 力的测量 (14/23) 等截面双端固定梁 这种梁的结构在相同力F的作用下产生的挠度比悬臂梁的要小。 4 F h b l x R1 R2 b0 等强度梁 梁的截面成等腰三角形，集中力F 作用在三角形顶点，梁内各横截面产生的应力是相等的，表面上任意位置的应变也相等，因此称为等强度梁。 等强度梁的各点由于应变相等，故粘贴应变片的位置要求不严格。在粘贴应变片处的应变为 力的测量 (15/23) 5 环式弹性元件 B B Fy B=0 39.6° R3 R4 R2 R1 R1 R2 R3 R4 uy uo 测Fy 圆环式 在圆环上施加径向力 Fy 时，圆环各处的应变不同，在与作用力成39.6°处（图中B点）应变等于零，称为应变节点，而在水平中心线上应变最大。将应变片 R1、R2、R3和 R4贴在水平中心线上， R1、 R3受拉应力， R2、R4受压应力。 力的测量 (16/23) 6 A Fx A=0 39.6° R7 R8 R6 R5 A R5 R6 R7 R8 ux uo 测Fx 如果圆环一侧固定，另一侧受切向力Fx时，与受力点成90°处（图中A点）应变等于零。将应变片 R5、R6、R7和 R8 贴在与垂直中心线成39.6°处， R5、R7受拉应力、 R6、R8受压应力。 当圆环上同时作用力Fx和Fy时，将应变片 R1～R4、R5～ R8 分别组成电桥，就可以互不干扰地测力Fx和Fy 。 力的测量 (17/23) 7 八角环式 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R8 R7 Fy Fx R1 R2 R3 R4 R5 R6 R8 R7 Fy Fx R10 R9 R11 R12 Mz R9 R10 R11 R12 ux uo 测Fz 八角环厚度为h，平均半径为r。当h/r较小时，零应变点在39.6º附近。随h/r值的增大，当h/r=0.4时，应变节点在45º处，故一般测力Fx时，应变片贴在45º处。 当测力Fz时 (或测力Fz形成的弯矩Mz )，在八角环水平中心线产生最大应变，应变片 R9～R12 贴在该处并成斜向  45º布片组成电桥。 力的测量 (18/23) 8 轮辐式弹性元件 h 轮毂 轮辐 轮缘 b l R1 R2 R'1 R'2 R3 R4 R'4 R'3 R3 R'3 R2 R'2 R'1 R1 R4 R'4 辐条的最大切应力及弯曲应力分别为 令h/l=a，则 为了使弹性元件具有足够的输出灵敏度而又不发生弯曲破坏，h/l比值一般在1.2～1.6之间选择。 力的测量 (19/23) 9 2 压力参量变换弹性元件 弹簧管 又称波登管，通常是一根弯曲成 C形的空心扁管，其截面呈椭圆等非圆形。 具有压力 p 的流体由弹簧管一端的 接头通入弹簧管内腔，弹簧管的另 一端（自由端）密封并与传感器的 其他部分相连。在压力 p 作用下， 弹簧管的截面有变成圆形截面的趋 势，导致弹簧趋向伸直，