第三章传感器的弹性敏感元件课件

传感器的组成传感器的组成辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路 被测量被测量电量电量敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。关系的某一物理量的元件。传感器的组成辅助电源敏感元件转换1 绪绪 论论3.1 3.1 弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性3.2 3.2 弹性敏感元件的材料弹性敏感元件的材料3.3 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算弹性敏感元件的特性参数计算 绪 论2 绪绪 论论1 1 由传感器的定义可知（弹性）敏感元件是把被测由传感器的定义可知（弹性）敏感元件是把被测参数由一种物理状态变换为所需要的另一种物理状态，参数由一种物理状态变换为所需要的另一种物理状态，直接起到测量作用直接起到测量作用,在传感器技术中非常重要的。在传感器技术中非常重要的。弹性弹性敏感元件可以把力、力矩或压力变换成相应的应变和敏感元件可以把力、力矩或压力变换成相应的应变和位移。位移。弹性元件分为：弹性元件分为：1.1.弹性敏感元件弹性敏感元件 2.2.弹性支承弹性支承 其中其中弹性支承是传感器活动部分的支承，起支承导向作用，弹性支承是传感器活动部分的支承，起支承导向作用，不作讨论（主要结构上考虑）不作讨论（主要结构上考虑）绪 论1 由传感器的定义可知（弹性）敏3绪绪 论论2 2定义定义:1.1.变形变形物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形称为变形.2.2.弹性变形弹性变形如果在外力支撑后能完全恢复其原来如果在外力支撑后能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形,3.3.弹性元件弹性元件具有弹性变形的物体称为弹性元件具有弹性变形的物体称为弹性元件.4.4.弹性敏感元件弹性敏感元件能感受力、力矩、压力等被测值，能感受力、力矩、压力等被测值，并变换成为弹性元件本身的并变换成为弹性元件本身的应变位移（挠度）应变位移（挠度）等，等，也就是通过它把被测参数由一种物理状态变换成另也就是通过它把被测参数由一种物理状态变换成另一种物理状态的元件一种物理状态的元件.绪 论2定义:43.1 3.1 弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性3.1.1弹性特性弹性特性3.1.2.弹性滞后弹性滞后3.1.3.弹性后效弹性后效 3.1.4 固有振动频率固有振动频率3.1 弹性敏感元件的基本特性3.1.1弹性特性3.153.1 3.1 弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性3.1.1.3.1.1.弹性特性弹性特性弹弹性性特特性性作作用用在在弹弹性性敏敏感感元元件件上上的的外外力力与与其其相相应应变变形形（应应变变、位位移移或或转转角角）间间的的关关系系称称为为弹弹性性元元件件的的弹弹性性特特性性，弹弹性性特特性性具具有有线线性和非线性，如性和非线性，如1.线性线性2.3.非线性非线性（1）.刚度刚度 刚度刚度弹性元件受外力作用下变形大小的量度弹性元件受外力作用下变形大小的量度 x弹性元件产生的变形弹性元件产生的变形 F作用在弹性元器上的外力作用在弹性元器上的外力刚度可在弹性特性曲线上用作切线的方法求得刚度可在弹性特性曲线上用作切线的方法求得 （2）灵敏度）灵敏度 灵灵敏敏度度单单位位力力产产生生变变形形的的大大小小，是是刚刚度度的的倒倒数数与与特特性性曲曲线线有关，线性为常数，非线性为变数。有关，线性为常数，非线性为变数。3.1 弹性敏感元件的基本特性3.1.1.弹性特性弹性特63.1 3.1 弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性3.1.2.3.1.2.弹性滞后弹性滞后 弹性元件在变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象弹性元件在变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象称为称为弹性滞后弹性滞后现象。现象。曲线曲线1.2所包围的范围称为所包围的范围称为滞环滞环，这种误差给测量带来误差，这种误差给测量带来误差，原因是由于原因是由于弹性敏感元件在工作时分子间存在弹性敏感元件在工作时分子间存在内摩擦内摩擦。当当弹弹性性元元件件上上的的力力由由0增增加加到到F时为时为1，由，由F减到减到0时为时为2，作作用用力力由由0-F和和由由F-0时时，弹弹性性变变形形最最大大之之差差X称称为为弹弹性性敏感元件的滞后误差敏感元件的滞后误差3.1 弹性敏感元件的基本特性3.1.2.弹性滞后 73.1 3.1 弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性3.1.3.3.1.3.弹性后效弹性后效 当当弹弹性性敏敏感感元元件件所所加加荷荷载载改改变变后后，不不是是立立即即完完成成相相应应的的变变形形，而而是是在在一一定定时时间间间间隔隔中中逐逐渐渐完完成成变变形形的的现现象象，称称为为弹弹性后效现象。性后效现象。当当作作用用到到弹弹性性敏敏感感元元件件上上的的力力由由0 0突突然然增加到增加到F F0 0时，变形为时，变形为0-X0-X1 1，然后继续然后继续变变形形直直到到X X0 0为为止止。相相反反由由F F0 0突突然然减减至至0 0，变变形由形由X X0 0-X-X2 2 然后继续变形直到变形为然后继续变形直到变形为0 0止，止，由由于于弹弹性性后后效效存存在在，弹弹性性敏敏感感元元件件的的变变形形不不能能迅迅速速地地随随作作用用力力的的改改变变而而改改变变，使使测测量量造造成成误误差差，特特别别在在动动态态测测量量中中，这这种现象影响更加严重种现象影响更加严重3.1 弹性敏感元件的基本特性3.1.3.弹性后效 83.1 3.1 弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性3.1.4 3.1.4 固有振动频率固有振动频率弹弹性性敏敏感感元元件件的的动动态态特特性性和和被被测测参参数数时时的的滞滞后后现现象象，在在很很大大程程度度上上与与它它的的固固有有振振动动频频率率有有关关，一一般般总总希希望望它它具具有有较较高高的的固固有有频频率率，由由于于计计算算比比较较复复杂杂，一一般般通通过过实实验验来来确确定定，也也可可用用下下式式来计算：来计算：me弹性敏感元件的等效振动质量k弹性敏感元件的刚刚度在在设设计计时时，常常遇遇到到线线性性度度、灵灵敏敏度度、固固有有频频率率之之间间的的矛矛盾盾，往往往往是是提提高高灵灵敏敏度度，线线性性误误差差，固固有有频频率率降降低低，不不能能满满足足测测量量动动态量的要求，因此，需根据具体情况和要求加以考虑。态量的要求，因此，需根据具体情况和要求加以考虑。3.1 弹性敏感元件的基本特性3.1.4 固有振动频率9 3.2 3.2 弹性敏感元件的材料弹性敏感元件的材料 3.2 弹性敏感元件的材料10 3.2 3.2 弹性敏感元件的材料弹性敏感元件的材料 弹性敏感元件在传感器中直接参与变换和测量，所以要求良好的弹性敏感元件在传感器中直接参与变换和测量，所以要求良好的弹性特性，弹性特性，足够的精度和稳定性足够的精度和稳定性基本要求是：基本要求是：A A 弹性滞后和弹性后效要小弹性滞后和弹性后效要小 B B 弹性测量的温度系数要小弹性测量的温度系数要小 C C 线膨胀系数要小且稳定线膨胀系数要小且稳定 D D 弹性极限和强度极限要高弹性极限和强度极限要高 E E 具有良好的稳定性和耐腐蚀性具有良好的稳定性和耐腐蚀性 F F 具有良好的机械加工和热处理性能具有良好的机械加工和热处理性能为了达到要求有时须对元件的加工工艺上采取一些措施为了达到要求有时须对元件的加工工艺上采取一些措施例如：例如：进行过载和静载处理，人工时效，消除残余机械应力，保持长进行过载和静载处理，人工时效，消除残余机械应力，保持长期稳定性，疲劳实验等。期稳定性，疲劳实验等。3.2 弹性敏感元件的材料 弹性敏感元件在传感器中113.3 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算弹性敏感元件的特性参数计算3.3.1.弹性园柱弹性园柱3.3.2 悬臂梁式悬臂梁式3.3.3 圆形膜片圆形膜片3.3 弹性敏感元件的特性参数计算3.3.1.弹性园柱312(实心实心,空心空心)柱的截面积为柱的截面积为A AL LF FF F电阻应变片电阻应变片轴向应变。轴向应变。杨氏模量杨氏模量面积面积3.3 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算弹性敏感元件的特性参数计算3.3.1.3.3.1.弹性园柱弹性园柱(实心,空心)柱的截面积为ALFF电阻应变片轴向应变。杨氏模133.3 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算弹性敏感元件的特性参数计算3.3.1.3.3.1.弹性园柱弹性园柱柱式力传感器-2+1截面积截面积AFFF面积面积A-1+2b）a）在在轴轴向向布布置置一一个个或或几几个个应应变变片片，在在圆圆周周方方向向布布置置同同样样数数目目的的应应变变片片，后后者者取取符符号号相相反反的的横横向向应应变变，从从而而构构成成了了差差动动对对。由由于于应应变变片片沿沿圆圆周周方方向向分分布布，所所以以非非轴轴向向载载荷荷分分量量被被补补偿偿，在在与与轴线任意夹角的轴线任意夹角的方向，其应变为方向，其应变为：1沿轴向的应变；沿轴向的应变；2沿横向的应变沿横向的应变；弹性元件的泊松比。弹性元件的泊松比。当=0时当=90时E：弹性元件的杨氏模量圆柱式力传感器的弹性元件圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。分为实心和空心两种。3.3 弹性敏感元件的特性参数计算3.3.1.弹性园柱143.3 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算弹性敏感元件的特性参数计算3.3.1.3.3.1.弹性园柱弹性园柱 结论对于实心和空心截面的圆柱弹性敏感元件，上述表达式都是适用的。并且空心截面的弹性元件在某些方面优于实心元件因为在同样的截面积情况下,圆柱的直径可以增大因此圆柱的抗弯能力大大提高，以及由于温度变化而引起的曲率半径相对变化量大大减小。但是空心圆柱的壁太薄时，受压力作用后将产生较明显的桶形变形而影响精度。所以,一般空心截面的圆柱测量小量程力,而实心截面的圆柱测量大量程力.3.3 弹性敏感元件的特性参数计算3.3.1.弹性园柱15 L LL L0 0F Fb bh hR1R2R3R4一端固定，一端自由，厚度为一端固定，一端自由，厚度为h h,长度长度L L0 0，自由端力自由端力F F 的作用点到应的作用点到应变片的距离为变片的距离为L L ，该点的协强：该点的协强：4 4只应变片只应变片 此位置上下两侧分别粘有此位置上下两侧分别粘有4 4只应变片，只应变片，R R1 1、R R4 4同侧；同侧；R R3 3、R R2 2同侧，同侧，这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥。这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥。3.3 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算弹性敏感元件的特性参数计算3.33.3.2 2 悬臂梁式悬臂梁式 等截面梁式等截面梁式 LL0FbhR1R2R3R4一端固定，一端自由，厚度16 等应力（等强）梁式等应力（等强）梁式变截面梁变截面梁F Fh hL L0 0 通常采用厚度通常采用厚度 h h 不变，宽度不变，宽度 b b 改变改变来满足：来满足：其他讨论与等截面梁式荷重传感器相同。其他讨论与等截面梁式荷重传感器相同。3.3 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算弹性敏感元件的特性参数计算3.3.2 3.3.2 悬臂梁式悬臂梁式 等应力（等强）梁式FhL0 通常采用厚度 17 薄板式薄板式(膜片式膜片式)当流体的压强当流体的压强作用在薄板上，薄板就会产生形变作用在薄板上，薄板就会产生形变(应变应变)，贴在另一侧的应变片随之形，贴在另一侧的应变片随之形变变(应变应变).).薄圆板受均匀压力后的应变分布薄圆板受均匀压力后的应变分布薄圆板受均匀压力后的应变方向薄圆板受均匀压力后的应变方向 应变分析应变分析 对于半径为对于半径为r0沿圆周固定的模片，片内任意半沿圆周固定的模片，片内任意半径径 r 处在压强处在压强 P 的作用下的应变的作用下的应变(膜厚为膜厚为h)为为:切向应变切向应变(与半径垂直与半径垂直)只有拉伸只有拉伸径向应变径向应变(指向圆心指向圆心)可拉可压可拉可压(可正可负可正可负)3.3 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算弹性敏感元件的特性参数计算3.3.3 3.3.3 圆形膜片圆形膜片 薄板式(膜片式)当流体的压强作用在薄板上，薄板就会产生18薄圆板受均匀压力后的应变分布薄圆板受均匀压力后的应变分布 正应变最大正应变最大径向应变片贴片必须避开径向应变片贴片必须避开 贴片位置贴片位置 在在t=r的的两个半径处分别粘两个半径处分别粘贴个用于检测径贴个用于检测径向应变和切向应变向应变和切向应变的应变片，构成全的应变片，构成全差动电桥。差动电桥。R1R2R3R4等半径贴片等半径贴片R1R2R3R4不等半不等半径贴片径贴片同等条同等条件应变件应变较大。较大。亦可选择亦可选择r 1=r 23.3 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算弹性敏感元件的特性参数计算径向负应变最大径向负应变最大 特点特点薄圆板受均匀压力后的应变分布 正应变最大径向应变片贴片必须19 筒式筒式DD0P筒式压力传感器筒式压力传感器性能特点：可用于高压测量。性能特点：可用于高压测量。结构特点：圆柱盲孔，环向应变。结构特点：圆柱盲孔，环向应变。环向应变环向应变p壁厚较薄时壁厚较薄时零应变用于零应变用于温度补偿温度补偿3.3 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算弹性敏感元件的特性参数计算 筒式DD0P筒式压力传感器性能特点：可用于高压测量。环向20 本章要点：本章要点：弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性 弹性敏感元件的材料弹性敏感元件的材料 弹性敏感元件的特性参数弹性敏感元件的特性参数 本章要点：弹性敏感元件的基本特性 弹性敏感21