傳感器中的彈性敏感元件

1、傳感器中的彈性敏感元件第1頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.1 引言一、變形 物體在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象。二、彈性變形 當外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀，那么這種變形稱為彈性變形。三、彈性元件 具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。四、彈性元件類型 基本上可以分為兩種類型： 彈性敏感元件和彈性支承。第2頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日五、彈性敏感元件 彈性敏感元件感受力、力矩、壓力等被測參數(shù)，并通過它將被測量變換為應(yīng)變、位移等。也就是通過它把被測參數(shù)由一種物理狀態(tài)變換為另一種所需要的相應(yīng)物理狀態(tài)。它直接起到測量的

2、作用。六、彈性支承 彈性支承常常作為傳感器中活動部分的支承，起支承導(dǎo)向作用，因而要求有內(nèi)摩擦力小、彈性變形大等特點。以便保證傳感器的活動部分得到良好的運動精度。第3頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.2 彈性敏感元件的基本特性 作用在彈性敏感元件上的外力與其引起的相應(yīng)變形(應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角)之間的關(guān)系稱為彈性元件的彈性特性，它可能是線性的,也可能是非線性的。3.2.1 彈性特性線性非線性非線性第4頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日一、剛度 剛度是彈性敏感元件在外力作用下抵抗變形的能力一般用 k 表示，其數(shù)學(xué)表達式為F作用在彈性元件上的外力； x

3、 彈性元件產(chǎn)生的變形。線性非線性非線性 彈性特性曲線上某點A的剛度，可通過A點作曲線的切線A它代表了彈性元件在A點處的剛度。第5頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日 如果彈性元件的彈性特性是線性的，則其的剛度是一個常數(shù)。線性非線性非線性A第6頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日二、靈敏度靈敏度是剛度的倒數(shù)，一般用Sn表示: 在傳感器中，有時需應(yīng)用幾個彈性元件串聯(lián)或并聯(lián)。當彈性敏感元件并聯(lián)時，系統(tǒng)的靈敏度為當彈性敏感元件串聯(lián)時，系統(tǒng)的靈敏度為第7頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.2.2 彈性滯后 彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，彈

4、性特性的加載曲線與卸載曲線不重合的現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象。 彈性變形之差x叫做彈性敏感元件的滯后誤差。這種滯后誤差將會給測量帶來誤差。曲線1、2所包圍的范圍稱為滯環(huán)。引起彈性滯后的原因，主要是由于彈性敏感元件在工作時材料分子問存在內(nèi)摩擦。第8頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.2.3 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，而是在一定時間間隔中逐漸完成變形的現(xiàn)象稱為彈性后效現(xiàn)象。 由于彈性后效存在，彈性敏感元件不能迅速地隨作用力的改變而改變，使測量造成誤差。第9頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.2.4 固有振動頻率彈性敏

5、感元件的動態(tài)特性和變換時的滯后現(xiàn)象，與它的固有振動頻率有關(guān)，一般總希望它具有較高的固有頻率。 固有頻率的計算比較復(fù)雜，實際中常常通過實驗來確定。但也可用下式進行估算：彈性敏感元件剛度；彈性敏感元件的等效振動質(zhì)量。第10頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.3 彈性敏感元件的材料對材料的基本要求是： (1)彈性滯后和彈性后效要小； (2)彈性模數(shù)的溫度系數(shù)要小； (3)線膨脹系數(shù)要小且穩(wěn)定； (4)彈性極限和強度極限要高； (5)具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性； (6)具有良好的機械加工和熱處理性能。第11頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.3 彈性

6、敏感元件的材料常用彈性材料： 合金鋼、銅合金；35CrMnSiA,40Cr,50CrMnA,50CrVA第12頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.4 彈性敏感元件的特性參數(shù)計算3.4.1 彈性圓柱(實心和空心) 在力的作用下，它往往以應(yīng)變作為輸出量。在軸向承受作用力F(拉或壓)時，在與軸線成角的截面上所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)镕沿軸線方向上的作用力;E材料的彈性模量；材料的泊松系數(shù)：A圓柱的橫截面積；截面與軸線的夾角。第13頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日1、在軸向(0)產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)?、在橫向(90o)產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榈?4頁，共45頁，2

7、022年，5月20日，16點27分，星期日3、靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)的概念圓柱的應(yīng)變大小決定于圓柱的靈敏結(jié)構(gòu)系數(shù)、橫截面積、材料性質(zhì)和圓柱所承受的力，而與圓柱的長度無關(guān)。在軸線方向上的應(yīng)力、應(yīng)變最大。4、應(yīng)力、應(yīng)變的特點第15頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日5、柱形彈性元件的固有頻率柱形元件的長度；柱形元件的單位長度的質(zhì)量。6、彈性敏感元件單位長度的質(zhì)量柱形材料的密度第16頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日7、結(jié)論為了提高應(yīng)變量，應(yīng)當選擇彈性模量小的材料，此時雖然相應(yīng)的固有頻率降低了，但固有頻率降低的程度比應(yīng)變量的提高來得小，總的衡量還是有利的。不降低

8、固有頻率來提高應(yīng)變量必須減小彈性元件的截面積。不降低應(yīng)變值來提高固有頻率必須減短圓柱的長度或選擇密度低的材料。柱形彈性敏感元件主要用于電阻應(yīng)變式拉力、壓力傳感器中。第17頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.4.2 懸臂梁 懸臂梁是一端固定一端自由的彈性敏感元件，它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便在較小力的測量中應(yīng)用較多。根據(jù)梁的截面形狀不同又可分為等截面梁和變截面(等強度粱)。一、等截面梁距固定端為處的應(yīng)變值梁的長度；某一位置到固定端的距離；梁的材料的彈性模量；A梁的截面積h梁的厚度。懸臂梁稱重傳感器型號：SQB第18頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期

9、日1、靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)2、懸臂梁自由端的撓度(位移)第19頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3、等截面懸臂梁的固有振動頻率J 梁的橫截面的慣性矩， 梁的單位長度的質(zhì)量。第20頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日4、結(jié)論 等截面梁的厚度的減小可以使靈敏度提高，固有振動頻率降低。材料的特性參數(shù)(E，)對靈敏度和固有頻率都有影響。第21頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日二、變截面梁(等強度粱) 等強度梁在自由端加上作用力時，在梁上各處產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等。它的靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)與長度方向的坐標無關(guān)，都等于6，這給應(yīng)變式傳感器帶來了很大方便

10、。 為了保證等應(yīng)變性：作用力F必須加在梁的倆斜邊的交匯點T處。等強度梁各點的應(yīng)變值為：第22頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日其自由端的撓度懸臂梁稱重傳感器型號：SQB 懸臂梁稱重傳感器第23頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.4.3 扭轉(zhuǎn)棒力矩；扭轉(zhuǎn)棒圓半徑；橫截面對圓心的極慣性矩；扭轉(zhuǎn)棒直徑。 在力矩測量中常常用到扭轉(zhuǎn)棒，當棒端承受力矩 時，在棒表面產(chǎn)生的最大剪切應(yīng)力為最大剪應(yīng)力與作用的力矩成正比，而與其橫截面的極慣性矩和半徑之比成反比。第24頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日單位長度的扭轉(zhuǎn)角G為扭轉(zhuǎn)棒材料的剪切彈性

11、系數(shù)。表明單位長度扭轉(zhuǎn)角與扭矩 成正比，而與 抗扭剛度成反比?？古偠鹊?5頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日扭轉(zhuǎn)棒長度為l時的扭轉(zhuǎn)角為第26頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日 在與軸線成45o度角的方向上出現(xiàn)最大垂直應(yīng)力 ，其數(shù)值與最大剪切應(yīng)力 相等，即這時最大應(yīng)變?yōu)榈?7頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.4.4 圓形膜片和膜盒 圓形膜片分平面膜片和波紋膜片兩種。在相同壓力情況下，波紋膜片可產(chǎn)生較大的撓度。一、圓形平膜片 圓形平膜片在均布載荷情況下應(yīng)力分布如圖所示。在壓力F作用下，中心最大撓度為：壓力；膜片的半徑；膜

12、片的厚度；膜片中心的最大撓度（位移）。第28頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日 圓形膜片中心的位移 與壓力 間呈非線性關(guān)系，為了減小非線性，位移量應(yīng)當比膜片的厚度要小的多。 時,撓度與壓力的關(guān)系具有下面的關(guān)系第29頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日在半徑為 處膜片的應(yīng)變值 圓形平膜片的固有振動頻率第30頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日二、波紋膜片 波紋膜片是一種壓有環(huán)狀同心波紋的圓形薄板，一般用來測量壓力（或壓差），為了增加膜片中心的位移，可把數(shù)個膜盒串聯(lián)成膜盒組。第31頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分

13、，星期日 波紋膜片的形狀可以做成多種形狀，通常采用的波紋形狀有正弦形、梯形、鋸齒形波形，波紋高度在0.71mm范圍內(nèi)變化，膜片厚度通常在0.050.3mm的范圍內(nèi)變化。 第32頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.4.5 彈簧管 彈簧管又稱波登管，它是彎曲成各種形狀的空心管子，大多數(shù)是C型彈簧管。 螺旋形彈簧管 C型組合彈簧管 一、彈簧管的類型第33頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日二、彈簧管的工作原理 彈簧管的截面形狀為橢圓形，卵形或更復(fù)雜的形狀。它主要在流體壓力測量中作為壓力敏感元件，將壓力變換為彈簧端部的位移。第34頁，共45頁，2022年

14、，5月20日，16點27分，星期日 彈簧管的一端連在管接頭上，壓力通過管接頭導(dǎo)入彈簧管的內(nèi)腔，管的另一端（自由端）封閉，并與傳感器的其他部分相連。在壓力作用下，管子的截面改變了形狀，截面的短軸伸長，長軸縮短，截面形狀的變化導(dǎo)致彈簧管趨向伸直，一直伸到與壓力的作用相平衡為止（虛線所示 ）。第35頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日 對于橢圓形截面薄壁彈簧管（管壁厚 和短半軸 之比不超過0.70.8時），其自由端的位移 和所受壓力 之間的關(guān)系可用下式表示 彈簧管的曲率半徑；彈簧截面的長半軸和短半軸； 彈簧管的壁厚 ；彈簧管的基本參數(shù)， ； 系數(shù)，其值可查表3-2和表3-3。

15、第36頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日 彈簧管特性 是線性的，其線性保持到一定的壓力值 ，超過值 時，線性破壞，因此 稱為彈簧管的極限壓力。第37頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日3.4.6 波紋管 波紋管是一種表面上有許多同心環(huán)狀形波形皺紋的薄壁圓管。在流體壓力（或軸向力）的作用下，將產(chǎn)生伸長或縮短；在橫向力作用下，波紋管將在平面內(nèi)彎曲。金屬波紋管的軸向容易變形，也就是說靈敏度非常好，在變形量允許的情況下，壓力（或軸向力）的變化與伸縮量是成比例的，所以利用它可把壓力（或軸向力）變換為位移。第38頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27

16、分，星期日一、波紋管的軸向位移與軸向作用力之間關(guān)系可表示為 軸向集中作用力；工作的波紋數(shù)； 波紋管內(nèi)半徑處的壁厚，即毛壞的厚度。波紋管的外半徑； 波紋管的內(nèi)半徑； 波紋管的圓弧半徑。波紋平面部分的斜角（又叫緊密角）相鄰波紋的間隙。 第39頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日取決于K參數(shù)和m的系數(shù)。 計算K和m出后，可由圖表查得 。第40頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日二、當作用于波紋管的為壓力 時，波紋管的自由端位 移 可表示為 作用壓力；有效面積；波紋管的平均半徑。 第41頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日 波紋管自由端位移與軸向或壓力成正比，即彈性特性是線性的。但是在很大壓力或拉壓作用下，波紋管的剛度會增大，從而破壞了線性特性。只是在以二點為界線的工作范圍內(nèi)保持線性特性。在允許行程內(nèi)波紋管受壓縮時的基本特性的線性度較好，因此通常使其在壓縮狀態(tài)工作。 三、波紋管 的工作特性第42頁，共45頁，2022年，5月20日，16點27分，星期日 彈性元件的壁厚一般都小于圓筒直徑的1/20，內(nèi)腔與被測壓力相通時，內(nèi)