傳感器中的彈性敏感元件(特性)ppt課件

1、3.1引言 變形：物體在外力作用下，形狀或尺寸的改變。 彈性變形 彈性元件：具有彈性變形特性的物體。 彈性敏感元件作用：把力、力矩或壓力變換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移; 然后由各種轉(zhuǎn)換元件，將被測(cè)力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成電量。,Chapter3 傳感器中的彈性敏感元件,1,3.2彈性敏感元件的基本特性,彈性特性 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?？捎蓜偠然蚨让綮`來表 示。 1、剛度 彈性敏感元件在外力作用 下抵抗變形的能力。,2,2、靈敏度 靈敏度是剛度的倒數(shù) 彈性敏感元件的連接方式： 串聯(lián) 并聯(lián),3,彈性敏感元件的基本特性,彈性滯后 彈性元件在彈性變形范圍 內(nèi)

2、，彈性特性的加載曲線 與卸載曲線不重合的現(xiàn)象。 原因 彈性敏感元件在工作時(shí)， 其材料分子間存在內(nèi)摩擦。,4,彈性敏感元件的基本特性,彈性后效 彈性敏感元件所加載 荷改變后，不時(shí)立即 完成相應(yīng)的變形，而 是在一定時(shí)間間隔中 逐漸完成變形的現(xiàn)象。 固有頻率 估算： K剛度 等效震動(dòng)質(zhì)量,5,諧振頻率：彈性敏感元件的固有頻率決定其動(dòng)態(tài)特性，一般來說，固有頻率越高，動(dòng)態(tài)特性越好。彈性元件是一個(gè)質(zhì)量連續(xù)分布的系統(tǒng)，可以有無窮多個(gè)諧振點(diǎn)，一般最關(guān)心諧振頻率的最低一個(gè)，稱為基頻。敏感元件的諧振頻率可由計(jì)算獲得，但必須由實(shí)驗(yàn)校正?？捎孟率焦烙?jì)： K剛度 me等效震動(dòng)質(zhì)量,6,3.3應(yīng)力與應(yīng)變的概念,1.應(yīng)力,

3、截面積為S的物體受到外力F的作用并處于平衡狀態(tài)時(shí)，在物體單位截面積上引起的內(nèi)力稱為應(yīng)力,圖1-7 應(yīng)變種類示意圖 a)拉、壓應(yīng)力 b)剪切應(yīng)力,7,正（向）應(yīng)力：拉伸或壓縮狀態(tài)，拉伸為正，壓縮為負(fù)。,切(向)應(yīng)力：物體一端固定，另一端受平行于端面的力作用，圖1-7b所示方向?yàn)檎?，反之為?fù)值。,2.應(yīng)變,物體受外力作用時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)變形,縱向應(yīng)變l,橫向應(yīng)變r(jià),切應(yīng)變:切應(yīng)力所產(chǎn)生的變形。,8,式中， x為力F使角點(diǎn)產(chǎn)生位移， L為固定端至力作用點(diǎn)之間的距離,3.虎克定律與彈性模量,=E =G,式中，E為彈性模量或稱楊氏模量，單位為Nm2； G為剪切模量或稱剛性模量； 為切應(yīng)力。,9,彈性模量E

4、,當(dāng)材料經(jīng)受外部的負(fù)擔(dān)時(shí)它被彎曲或拉緊。 當(dāng)卸載負(fù)載后材料又回復(fù)到原始的尺寸， 即。它們是有彈性的。 在彈性極限內(nèi)，線性應(yīng)力與線性應(yīng)變的比率被稱為彈性模量或經(jīng)常熟悉被人稱為揚(yáng)模數(shù). 彈性模量=線性應(yīng)力/線性應(yīng)變,10,3.4常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能,常用彈性元件主要有： 環(huán)形結(jié)構(gòu)、梁、膜片式結(jié)構(gòu)、波紋管和 波登管、諧振結(jié)構(gòu)，它們的性能取決于 元件的結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)特性。,11,彈性敏感元件的類型 1.變換力的彈性敏感元件,圖3-1 變換力的彈性敏感元件 a)實(shí)心軸 b)空心軸 c、d)等截面圓環(huán) e)變形的圓環(huán) f)等截面懸梁 g)等強(qiáng)度懸臂梁 h)變形的懸臂梁 i)扭轉(zhuǎn)軸,12,2.變換壓力

5、的彈性元件,圖3-2 變換壓力的彈性敏感元件 a)彈簧管 b)波紋管 c)等截面薄板 d)膜盒 e)薄壁圓簡(jiǎn) f)薄壁半球,13,1、基本拉壓 ：材料受力變形的最基本形式是拉壓變形，由下式計(jì)算： 式中：為應(yīng)變，即單位長(zhǎng)度的變形， 因此它是一個(gè)無量綱，習(xí)慣上將10-6稱為一個(gè)微應(yīng)變；l 是受力后發(fā)生的變形，l為受載變形長(zhǎng)度；E為材料的彈性模量，單位Pa，它是一個(gè)僅與材料有關(guān)的參數(shù)。一般材料受力方向稱為縱向，受力發(fā)生縱向變形的同時(shí)，橫向也會(huì)發(fā)生變形，用x或y表示，則有下述關(guān)系： y, 稱為泊松比，泊松比是材料的基本力學(xué)參數(shù)，一般鋼材可取0.25，其它材料可從有關(guān)手冊(cè)查得。 等截面桿件、等壁厚圓筒可

6、視為基本拉伸結(jié)構(gòu)。,14,2、彈性梁: 變形以彎曲為主的結(jié)構(gòu)稱為彈性梁。按支承形式可分有懸臂梁、簡(jiǎn)支梁等；按承載特性可分有等截面梁、等強(qiáng)度梁等。只有一端支承的梁稱為懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖所示。 等截面梁 圖中，b為懸臂梁截面寬度，l為力的作用點(diǎn)距固定端的長(zhǎng)度，h為梁的厚度，x為測(cè)試點(diǎn)的位置。,15,3、環(huán)形結(jié)構(gòu),稱重式傳感器中常用到如左圖所示的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。 右圖所示的扁環(huán)形結(jié)構(gòu)也常用于測(cè)量力傳感器;,16,4、膜片式結(jié)構(gòu),膜片式結(jié)構(gòu)可用于測(cè)量與微小位移有關(guān)的量。雖然膜片的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但應(yīng)力分布卻比較復(fù)雜，按膜的形狀可分為平膜片、帶硬中心的膜片和波紋膜等，按受力方式可分為集中力載荷和均布力載荷，按應(yīng)

7、力的性質(zhì)可分為厚膜和薄膜。膜受載后變形，中心的撓度0最大。設(shè)膜厚為h，如果0/h1/3，則可按厚膜計(jì)算，厚膜的變形以彎曲為主，膜的拉壓處于次要地位；如果0/h5，則按薄膜計(jì)算，認(rèn)為薄膜是柔軟的，無彎曲剛度和彎曲應(yīng)力，膜的變形以拉壓為主。 1)平膜 平膜適合與測(cè)量受均布載荷的情形， 圓形平膜的結(jié)構(gòu)如圖所示，,17,2)帶有硬中心的膜片,在傳感器中，帶有硬中心的膜片也有廣泛的應(yīng)用，其特征是膜的中心很厚，可以認(rèn)為是剛體。常利用硬中心將均布?jí)毫D(zhuǎn)換為集中力，在小位移下有較高的應(yīng)力，因而有更高的靈敏度。 硬中心的薄膜受均布載荷,18,5、彈性諧振元件 : 彈性諧振元件能將被測(cè)量轉(zhuǎn)變成頻率信 號(hào)，常用的諧

8、振元件有振動(dòng)弦、振動(dòng)梁、振動(dòng)膜和振動(dòng)筒。 6、其它結(jié)構(gòu) 傳感器器還常采用波紋管和波登管作敏感元件。波紋管是 具有規(guī)則形狀的圓形薄殼，在軸向力、徑向力或扭矩的作 用下能產(chǎn)生相應(yīng)的位移，按波紋成型方法可分為無縫波紋管 和有縫波紋管。無縫波紋管采用液壓成型，已經(jīng)有完整的規(guī) 格系列；有縫波紋管采用膜片沖壓成型，再沿周邊焊接的工 藝制造，其性能優(yōu)越，在精密儀器中應(yīng)用廣泛。,(a)圓形截面 (b)蝶形截面 圖 波紋管,19,3.5彈性敏感元件的材料,對(duì)彈性元件材料的性能有以下要求：強(qiáng)度高，彈性極限高；有較高的沖擊韌性和疲勞極限；彈性模量的溫度系數(shù)小而穩(wěn)定熱處理后有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性；熱膨脹系數(shù)?。痪哂辛己玫墓に囆?，如機(jī)械加