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）

《传感器及应用》（第2版） 高等教育出版社 同步精品课程——中职专业课 第1章 传感器的基本概念 1.4 传感器中的弹性敏感元件 知识目标 1.了解弹性敏感元件的基本特性，包括其弹性变形特点和敏感性。 2.理解弹性敏感元件的形式，包括压力传感器、应变传感器、力传感器等，并了解它们的原理和工作方式。 3.了解弹性敏感元件的应用范围，包括工业自动化、汽车工程、医疗设备等领域。 能力目标 1.培养对传感器技术的兴趣和好奇心，认识到传感器在现代生活中的重要性。 2.培养对精准测量和可靠性的重视，意识到传感器的基本误差对测量结果的影响。 3.培养对创新和应用潜力的认识，了解弹性敏感元件在各个领域的广泛应用。 情感目标 1.能够描述弹性敏感元件的基本特性，并能举例说明其应变规律。 2.能够区分和解释不同类型的弹性敏感元件，如压力传感器、应变传感器和力传感器的工作原理和应用特点。 三维目标 导入情景 01 下图所示的是M5600无线压力传感器的示意图 新知学习 02 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。 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。 弹性敏感元件的输人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 02 1.刚度 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 式中 K一一刚度: F一一作用于弹性元件上的外力: x一一弹性元件产生的变形。 一、弹性敏感元件的基本特性 新知学习 02 图 1-4 中弹性特性曲线上某点 A 的刚度可通过A 点作曲线的切线求得，此切线与水平线夹角Θ的正切就代表该弹性元件在A 点处的刚度。如果弹性特性是直线，显然它的刚度是一个常数。 一、弹性敏感元件的基本特性 新知学习 02 2.灵敏度 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/F=常数。对于不同的弹性敏感元件，由于其输入量的形式不同，所以灵敏度的具体含义也不同。 一、弹性敏感元件的基本特性 新知学习 02 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 02 1. 弹性敏感元件的形式 传感器中弹性敏感元件的输人量通常是力(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人给弹性敏感元件。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。 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 02 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1-5 所示。实心等截面轴在力的作用下弹性敏感元件的位移很小，因此常用它的应变作输出量。其主要的优点是结构简单、加工方便、测量范围宽，可承受数万牛顿的载荷，但其灵敏度低。空心圆柱体的灵敏度高，在同样的截面积下轴的直径可加大，可提高轴的抗弯能力，但其过载能力弱,载荷较大时会产生较明显的桶形变形，使工作段应变复杂而影响精度。 二、弹性敏感元件的形式及应用范围 新知学习 02 二、弹性敏感元件的形式及应用范围 新知学习 02 (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