第A章传感器中的弹性敏感元件报告.ppt

A.1 弹性敏感元件的基本特性 一、基本概念 1、变形:物体在外力作用下改变原来的尺寸 或形状的现象。 2、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。 3、应变：机械零件和构件等物体内任一点（单元体）因外力作用引起的形状和尺寸的相对改变。 弹性元件类型：弹性敏感元件和弹性支撑。 弹性敏感元件：传感器中由弹性材料制成的敏感元件。在传感器的工作过程中常采用弹性敏感元件把力、压力、力矩、振动等被测参量转换成应变量或位移量，然后再通过各种转换元件把应变量或位移量转换成电量。也就是通过它把被测参数由一种物理状态变换为另一种所需要的相应物理状态，它直接起到测量的作用。弹性敏感元件的形式可以是实心或空心的圆柱体、等截面圆环、等截面或等强度悬臂梁、扭管等，也可以是弹簧管(波登管)、膜片、膜盒、波纹管、薄壁圆筒、薄壁半球等。弹性敏感元件在传感器中占有很重要的地位，其质量的优劣直接影响传感器的性能和精度。在很多情况下，它甚至是传感器的核心部分。 弹性支撑：常常作为传感器中活动部分的支撑，其支撑导向作用，因而要求有内摩擦力小、弹性变形大等特点，以便保证传感器的活动部分得到良好的运动精度。 4、应力：材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力。 根据不同形变方式分类：拉应力、压应力、剪应力、挤压应力。 根据力的作用方向分类：正应力、切应力。 正应力（法向应力）：同截面垂直的应力。 剪应力（切应力）：同截面相切的应力。 应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。 极限应力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低，规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。材料要想安全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在使用时发生破坏。 二、弹性敏感元件工作原理 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。 对弹性敏感元件材料的基本要求归纳如下： （3）线膨胀系数要小且稳定； 线膨胀系数：温度每变化一度材料长度变化的百分率。 （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。 A.3 弹性敏感元件的特性参数 A.3.1 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。 分类：实心、空心 圆形膜状的弹性敏感元件。当膜片的两面受到不同的压力（或力）的作用时，膜片向压力低的一面应变移动，使其中心产生与压力差成一定关系的位移。膜片的形式主要有平膜片、垂链式膜片和波纹膜片三种。平膜片又可按周边是否固定支撑、中心是否开孔以及膜片区域受力分布状况的不同等分为多种形式，其中最常用的是由周边固定的等截面圆形薄板构成的平膜片。垂链式膜片由靠近边缘处开槽的圆板构成，其弹性应变主要发生在边缘环形槽处，常用这种膜片压缩应变管或柱来达到测压目的。垂链式膜片的硬中心部分在受压移动时接近平移，因此用于电容式传感器或压电式传感器效果较好。波纹膜片压有环状同心波纹。为了增加膜片中心的位移可把两个膜片焊在一起制成膜盒或进一步把数个膜盒串接成膜盒组。 A.3.5 波纹管 轴向作用力下，与波纹管的轴向位移的关系： F — 轴向集中作用力 n — 工作的波纹数 h0 — 波纹管内半径处的壁厚 α为波纹平面部分的斜角(紧密角) 压强作用下，其与位移之间的关系： P — 作用压强 Sa — 有效面积 有效面积Sa： 波纹管位移与轴向作用力或压强成正比， 即弹性特性是线性的。 圆柱应变的一般表达式为 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。 柱形弹性元件的固有频率f0为 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。 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