阻抗式结构性传感器(I)

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1、第二章　阻抗式结构型传感器阻抗式结构型传感器：依靠敏感结构的变形、运动，将被测量转变成测试电路的阻抗；主要有电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器。这类传感器除结构相似外，它们的共同特点还有：1)同时存在两种转换器件，其一是将被测量转换成变形、位移、运动等机械量的敏感元件，如：弹性元件、各种运动机构，敏感元件的形式决定了传感器的结构；其二是将机械量转换成电阻、电容、电感等电量的转换元件，转换元件决定了传感器的测试原理。仅由转换元件也可以直接构成简单的传感器，但转换元件的使用范围（被测量类型、量程等）将受到很大限制。实际上，常常是敏感元件决定了传感器的功能和

2、外貌。2)这类传感器是无源性器件，必须有外接电源才能有电信号输出。因此，传感器的精度和灵敏度也与供电电压有关。2.1阻抗式结构型传感器的敏感元件2.1.1弹性敏感元件的主要性能2.1.2常用弹性元件的结构和性能2.1.3弹性敏感元件的材料阻抗式结构型传感器的敏感结构可分为弹性变形和运动机构两类。弹性变形式敏感结构的原理是：利用被测量伴随的力作用，将被测量转变成弹性体的微量弹性变形，或由被测对象直接牵引引起敏感元件的变形或位移。运动机构主要作用是运动变换或放大，如将直线运动变换成旋转运动，常用的机构主要是齿轮机构、杠杆和连杆机构，可参考机械设计的有关书籍。本章主要

3、介绍弹性敏感元件。2.1.1弹性敏感元件的主要性能弹性敏感元件的主要性能有：弹性特性、灵敏度，刚度、谐振频率、品质因数、安全系数等。1、弹性特性：　指元件的输入－输出特性，一般指力－变形位移（挠度）特性。可用下式表示：或(2-1)式中：F表示施加于敏感元件的力或力矩，ε为变形量或位移2、灵敏度与刚度　：灵敏度S由下式表示：敏感元件的刚度是灵敏度的倒数。理想传感器要求有较高的灵敏度，同时传感器的位移与被　测量对象的运动误差无关，即有足够的刚性。但是，很多情形下，传感器的位移也是被测对象的运动误差。因此，设计传感器时应当综合考虑。(2-2)3、谐振频率：弹性敏感元件

4、的固有频率决定其动态特性，一般来说，固有频率越高，动态特性越好。弹性元件是一个质量连续分布的系统，可以有无穷多个谐振点，一般最关心谐振频率的最低一个，称为基频。敏感元件的谐振频率可由计算获得，但必须由实验校正。可用下式估计：或me元件的等效振动质量，k元件的弹簧常数。(2-3)4、弹性滞后和后效弹性滞后：是指弹性敏感元件在弹性变形范围内，加、卸载的正反行程变形不重合的现象，一般用最大变形滞后与最大变形的百分比表示。加在弹性敏感元件上的载荷发生变化后，其变形并不能立即随载荷变化，加载（或卸载）后经过一段时间应变才增加（或减小）到一定数值的现象称为弹性后效，在动态测

5、试时，易造成测试误差。5、安全系数：安全系数反映敏感元件的承载能力，用下式表示：或：σ表示材料单位面积的受力，即应力，单位为Pa。F为受力或载荷，A为承载面积,[σ]表示材料的许用应力。安全系数越大，敏感元件的过载能力越强，但可能体积越大，越笨重。一般以1.5～5为宜。除上述特性外，还有材料的蠕变、温度特性等。2.1.2常用弹性元件的结构和性能常用弹性元件主要有：环形结构、梁、膜片式结构、波纹管和波登管、谐振结构，它们的性能取决于元件的结构和材料的力学特性。1、基本拉压：材料受力变形的最基本形式是拉压变形，由下式计算：式中：ε为应变，即单位长度的变形，因此它是一

6、个无量纲，习惯上将10-6称为一个微应变；Δl是受力后发生的变形，l为受载变形长度；E为材料的弹性模量，单位Pa，它是一个仅与材料有关的参数。一般材料受力方向称为纵向，受力发生纵向变形的同时，横向也会发生变形，用εx或εy表示，则有下述关系：y,μ称为泊松比，泊松比是材料的基本力学参数，一般钢材可取μ＝0.25，其它材料可从有关手册查得。等截面杆件、等壁厚圆筒可视为基本拉伸结构。设计时应满足：。2、弹性梁:变形以弯曲为主的结构称为弹性梁。按支承形式可分有悬臂梁、简支梁等；按承载特性可分有等截面梁、等强度梁等。只有一端支承的梁称为悬臂梁结构，如图2.1所示。图2.

7、1等截面梁图中，b为悬臂梁截面宽度，l为力的作用点距固定端的长度，h为梁的厚度，x为测试点的位置。图2.1等截面梁图2.5扁环形结构3、环形结构称重式传感器中常用到如图2.4所示的圆环形结构。图2.5所示的扁环形结构也常用于测量力传感器;图2.4环形结构4、膜片式结构膜片式结构可用于测量与微小位移有关的量。虽然膜片的结构非常简单，但应力分布却比较复杂，按膜的形状可分为平膜片、带硬中心的膜片和波纹膜等，按受力方式可分为集中力载荷和均布力载荷，按应力的性质可分为厚膜和薄膜。膜受载后变形，中心的挠度ω0最大。设膜厚为h，如果ω0/h<1/3，则可按厚膜计算，厚膜的变形

8、以弯曲为主，膜的拉压处于