第三章传感器中的弹性敏感元件

1.1补充章节 传感器中的弹性敏感元件问题的提出物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。传感器中把用来直接感受被测量为力、力矩或压力，输出为与其成相应确定关系的应变或位移的元件称为弹性敏感元件。=k=lim x 1.2补充章节 传感器中的弹性敏感元件一、弹性敏感元件的基本特性、刚度弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形下所需要的力，用k表示，其数学表达式为F作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿(N)；x弹性元件所产生的变形，单位为毫米(mm).dFdx F x 0（1）1.3OA补充章节 传感器中的弹性敏感元件图中弹性特性曲线1上A点的刚度，可通过A点作曲线1的切线，该切线与水平线夹角的正切就代表该弹性元件在A点处的刚度，即tan=dF/dx。若弹性元件的特性是线性的，则其刚度是一个常数，即tan=F/x=常数，如图中的直线2所示。F123 0 x图1 刚度定义示意图=1.4补充章节 传感器中的弹性敏感元件2、灵敏度刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S表示，其表达式为灵敏度就是在单位力作用下弹性元件产生变形的大小。dxdFS n1k（2）1.5补充章节 传感器中的弹性敏感元件3、弹性滞后弹性敏感元件从加载到卸载的正反行程中变形曲线不重合，这种现象称为弹性滞后现象。弹性滞后与材料结构、载荷特性和大小、温度等一系列因素有关系。（迟滞？）4、弹性后效弹性敏感元件所加荷载改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐步完成变形的现象。1.6补充章节 传感器中的弹性敏感元件图2 弹性滞后与弹性后效性示意图1.7补充章节 传感器中的弹性敏感元件5、固有振荡频率弹性敏感元件的滞后作用，与其固有振荡频率有关系，通常希望其具有较高的固有振荡频率。但实际设计时往往会存在与线性度、灵敏度相互矛盾的问题，这时应该根据检测对象和具体要求综合考虑。固有频率高，灵敏度低，线性度好；固有频率低，灵敏度高，线性度差；km c12 f =（3-3）1.8补充章节 传感器中的弹性敏感元件二、弹性敏感元件的形式弹性敏感元件的形式基本分为两大类：一是将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件；二是将压力（压强）变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。图3 压力型敏感元件示意图1.9补充章节 传感器中的弹性敏感元件三、弹性敏感元件的材料与选择弹性滞后和弹性后效性要好；弹性模数的温度系数要小；线膨胀系数要小且稳定；弹性极限和强度要高；具有良好的稳定形和耐腐蚀性；具有良好的机械加工和热处理能力。1.10量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。补充章节 传感器中的弹性敏感元件具体来讲，传感器的选择可以从以下几个方面考虑。1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型1.11补充章节 传感器中的弹性敏感元件2灵敏度的选择。在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入干扰信号。1.12补充章节 传感器中的弹性敏感元件3频率响应特性在允许频率范围内保持不失真的测量条件，延迟时间越短越好。传感器的频率响应要高。在动态测量中，应根据信号的特点选择传感器，以免产生过大的误差。1.13补充章节 传感器中的弹性敏感元件4线性范围A.线性范围越宽，则其量程越大。B.实际中，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作是线性的，这会给测量带来极大的方便。1.14补充章节 传感器中的弹性敏感元件5稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。1.15补充章节 传感器中的弹性敏感元件6精度传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。如果测量的目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。为了提高测量精度，平时正常显示值要在满刻度的50%左右来选定测量范围(或刻度范围)。1.16补充章节 传感器中的弹性敏感元件四、几种弹性敏感元件1、弹性圆柱图4 弹性圆柱示意图1.17补充章节 传感器中的弹性敏感元件在轴向承受作用力F时，在与轴线成角的截面上所产生的应力、应变为(cos 2 sin 2 )=(cos 2 sin 2 )=FAEFA（4）（5）其中E 材料的弹性模数；材料的泊松系数。1.18补充章节 传感器中的弹性敏感元件引入灵敏度结构系数，则应力与应变的一般表达式为FAFAE=（6）（7）圆柱的应变大小取决于：-灵敏结构系数；-横截面积A；-作用力F；-材料性质E；与长度 L 无关。1.19补充章节 传感器中的弹性敏感元件与实心圆柱相比，空心圆柱在同样面积下，直径可以增加，抗弯折能力大大提高。但容易变形。1.20补充章节 传感器中的弹性敏感元件弹性圆柱的固有频率：E0.249lf 0 =（8）FAE对比 =可得出如下结论1、选择弹性模量小的材料，可提高应变量，但降低了固有频率；2、减小面积可提高应变量，同时不改变固有频率；3、减小圆柱长度或选择密度低的材料，可提高固有频率，而不改变应变量。1.21补充章节 传感器中的弹性敏感元件2、悬臂梁一端固定一端自由的弹性敏感元件。可分为等截面梁与等强度梁。F图5 悬臂梁示意图F1.22补充章节 传感器中的弹性敏感元件等截面梁作用力与应变的关系为：6 F (l x)EAh x =x-距固定端的应变值；等截面梁的应变与位置有关；l -为梁的长度；h -为梁的厚度；b0 截面固定端宽度。等强度梁的应变与位置无关；等截面梁是固定频率；等强度梁是变频率；等强度梁作用力与应变的关系为：6 FlEb 0 h 2 x =（9）（10）