第三章傳感器中的彈性敏感元件

1、1.1補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件問題的提出物體在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形，而當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀，這種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。傳感器中把用來直接感受被測量為力、力矩或壓力，輸出為與其成相應(yīng)確定關(guān)系的應(yīng)變或位移的元件稱為彈性敏感元件。 =k = lim x 1.2補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件一、彈性敏感元件的基本特性、剛度彈性元件受外力作用下變形大小的量度，其定義是彈性元件單位變形下所需要的力，用k表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為f作用在彈性元件上的外力，單位為牛頓(n)；x彈性元件所產(chǎn)生的變形，單位為毫米(mm).dfd

2、x f x 0（1）1.3oa補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件圖中彈性特性曲線1上a點(diǎn)的剛度，可通過a點(diǎn)作曲線1的切線，該切線與水平線夾角的正切就代表該彈性元件在a點(diǎn)處的剛度，即tan=df/dx。若彈性元件的特性是線性的，則其剛度是一個(gè)常數(shù)，即tan= f/x =常數(shù)，如圖中的直線2所示。f123 0 x圖1 剛度定義示意圖= =1.4補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件2、靈敏度剛度的倒數(shù)來表示彈性元件的特性，稱為彈性元件的靈敏度，一般用s表示，其表達(dá)式為靈敏度就是在單位力作用下彈性元件產(chǎn)生變形的大小。dxdfs n1k（2）1.5補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件3、彈性滯后彈性敏感元件從加載

3、到卸載的正反行程中變形曲線不重合，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象。彈性滯后與材料結(jié)構(gòu)、載荷特性和大小、溫度等一系列因素有關(guān)系。（遲滯？）4、彈性后效彈性敏感元件所加荷載改變后，不是立即完成相應(yīng)的變形，而是在一定時(shí)間間隔中逐步完成變形的現(xiàn)象。1.6補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件圖2 彈性滯后與彈性后效性示意圖1.7補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件5、 固有振蕩頻率彈性敏感元件的滯后作用，與其固有振蕩頻率有關(guān)系，通常希望其具有較高的固有振蕩頻率。但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)存在與線性度、靈敏度相互矛盾的問題，這時(shí)應(yīng)該根據(jù)檢測對象和具體要求綜合考慮。固有頻率高，靈敏度低，線性度好；固有頻率低，靈敏度高，線性度差；

4、km c12 f =（3-3）1.8補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件二、 彈性敏感元件的形式彈性敏感元件的形式基本分為兩大類：一是將力變換成應(yīng)變或位移的變換力的彈性敏感元件；二是將壓力（壓強(qiáng)）變換成應(yīng)變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。圖3 壓力型敏感元件示意圖1.9補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件三、彈性敏感元件的材料與選擇彈性滯后和彈性后效性要好；彈性模數(shù)的溫度系數(shù)要??；線膨脹系數(shù)要小且穩(wěn)定；彈性極限和強(qiáng)度要高；具有良好的穩(wěn)定形和耐腐蝕性；具有良好的機(jī)械加工和熱處理能力。1.10量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的

5、來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件具體來講，傳感器的選擇可以從以下幾個(gè)方面考慮。1.根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型1.11補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件2靈敏度的選擇。在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入干擾信號(hào)。1.12補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件3頻率響應(yīng)特性在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，延遲

6、時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)要高。在動(dòng)態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)選擇傳感器，以免產(chǎn)生過大的誤差。1.13補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件4線性范圍a. 線性范圍越寬，則其量程越大。b. 實(shí)際中，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作是線性的，這會(huì)給測量帶來極大的方便。1.14補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件5穩(wěn)定性傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。1.15補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元

7、件6精度傳感器的精度只要滿足整個(gè)測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。如果測量的目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。為了提高測量精度，平時(shí)正常顯示值要在滿刻度的50%左右來選定測量范圍(或刻度范圍)。1.16補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件四、幾種彈性敏感元件1、彈性圓柱圖4 彈性圓柱示意圖1.17補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件在軸向承受作用力f時(shí)，在與軸線成角的截面上所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)?(cos 2 sin 2 )=(cos 2 sin 2 )=faefa（4）（5）其中e

8、 材料的彈性模數(shù)； 材料的泊松系數(shù)。1.18補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件引入靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)，則應(yīng)力與應(yīng)變的一般表達(dá)式為fafae=（6）（7）圓柱的應(yīng)變大小取決于：-靈敏結(jié)構(gòu)系數(shù)；-橫截面積a；-作用力f；-材料性質(zhì)e；與長度 l 無關(guān)。1.19補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件與實(shí)心圓柱相比，空心圓柱在同樣面積下，直徑可以增加，抗彎折能力大大提高。但容易變形。1.20補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件彈性圓柱的固有頻率：e0 . 249lf 0 =（8）fae對比 =可得出如下結(jié)論1、選擇彈性模量小的材料，可提高應(yīng)變量，但降低了固有頻率；2、減小面積可提高應(yīng)變量，同時(shí)不改變固有頻率；3、減小圓柱長度或選擇密度低的材料，可提高固有頻率，而不改變應(yīng)變量。1.21補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件2、懸臂梁一端固定一端自由的彈性敏感元件。可分為等截面梁與等強(qiáng)度梁。f圖5 懸臂梁示意圖f1.22補(bǔ)充章節(jié) 傳感器中的彈性敏感元件等截面梁作用力與應(yīng)變的關(guān)系為：6 f ( l x )e