传感器中的弹性敏感元.ppt

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1、第3章传感器中的弹性敏感元件3.1引言3.2弹性敏感元件的基本特性3.3弹性敏感元件的材料3.4弹性敏感元件的特性参数计算3.1引言一、变形物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象。二、弹性变形当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形。三、弹性元件具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。四、弹性元件类型基本上可以分为两种类型：弹性敏感元件和弹性支承。五、弹性敏感元件弹性敏感元件感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它将被测量变换为应变、位移等。也就是通过它把被测参数由一种物理状态变换为另一种所需要的相应物理状态。它直接起到测量的作用。六、

2、弹性支承弹性支承常常作为传感器中活动部分的支承，起支承导向作用，因而要求有内摩擦力小、弹性变形大等特点。以便保证传感器的活动部分得到良好的运动精度。3.2弹性敏感元件的基本特性作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形(应变、位移或转角)之间的关系称为弹性元件的弹性特性，它可能是线性的,也可能是非线性的。3.2.1弹性特性线性非线性非线性一、刚度刚度是弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力一般用k表示，其数学表达式为F——作用在弹性元件上的外力；x——弹性元件产生的变形。线性非线性非线性弹性特性曲线上某点A的刚度，可通过A点作曲线的切线A它代表了弹性元件在A点处的

3、刚度。如果弹性元件的弹性特性是线性的，则其的刚度是一个常数。线性非线性非线性A二、灵敏度灵敏度是刚度的倒数，一般用Sn表示:在传感器中，有时需应用几个弹性元件串联或并联。当弹性敏感元件并联时，系统的灵敏度为当弹性敏感元件串联时，系统的灵敏度为3.2.2弹性滞后弹性元件在弹性变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象称为弹性滞后现象。弹性变形之差x叫做弹性敏感元件的滞后误差。这种滞后误差将会给测量带来误差。曲线1、2所包围的范围称为滞环。引起弹性滞后的原因，主要是由于弹性敏感元件在工作时材料分子问存在内摩擦。3.2.3弹性后效弹性敏感元件所加荷载改变后，不

4、是立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象称为弹性后效现象。由于弹性后效存在，弹性敏感元件不能迅速地随作用力的改变而改变，使测量造成误差。3.2.4固有振动频率弹性敏感元件的动态特性和变换时的滞后现象，与它的固有振动频率有关，一般总希望它具有较高的固有频率。固有频率的计算比较复杂，实际中常常通过实验来确定。但也可用下式进行估算：——弹性敏感元件刚度；——弹性敏感元件的等效振动质量。3.3弹性敏感元件的材料对材料的基本要求是：(1)弹性滞后和弹性后效要小；(2)弹性模数的温度系数要小；(3)线膨胀系数要小且稳定；(4)弹性极限和强度极限要高；(5)具

5、有良好的稳定性和耐腐蚀性；(6)具有良好的机械加工和热处理性能。3.3弹性敏感元件的材料常用弹性材料：合金钢、铜合金；35CrMnSiA,40Cr,50CrMnA,50CrVA3.4弹性敏感元件的特性参数计算3.4.1弹性圆柱(实心和空心)在力的作用下，它往往以应变作为输出量。在轴向承受作用力F(拉或压)时，在与轴线成角的截面上所产生的应力、应变为F——沿轴线方向上的作用力;E——材料的弹性模量；——材料的泊松系数：A——圆柱的横截面积；——截面与轴线的夹角。1、在轴向(＝0)产生的应力、应变为2、在横向(＝90o)产生的应力、应变为3、灵敏度结构系数的

6、概念圆柱的应变大小决定于圆柱的灵敏结构系数、横截面积、材料性质和圆柱所承受的力，而与圆柱的长度无关。在轴线方向上的应力、应变最大。4、应力、应变的特点5、柱形弹性元件的固有频率——柱形元件的长度；——柱形元件的单位长度的质量。6、弹性敏感元件单位长度的质量——柱形材料的密度7、结论为了提高应变量，应当选择弹性模量小的材料，此时虽然相应的固有频率降低了，但固有频率降低的程度比应变量的提高来得小，总的衡量还是有利的。不降低固有频率来提高应变量必须减小弹性元件的截面积。不降低应变值来提高固有频率必须减短圆柱的长度或选择密度低的材料。柱形弹性敏感元件主要用于电阻应变式拉力、

7、压力传感器中。3.4.2悬臂梁悬臂梁是一端固定一端自由的弹性敏感元件，它的特点是结构简单，加工方便．在较小力的测量中应用较多。根据梁的截面形状不同又可分为等截面梁和变截面(等强度粱)。一、等截面梁——距固定端为处的应变值——梁的长度；——某一位置到固定端的距离；——梁的材料的弹性模量；A——梁的截面积h——梁的厚度。悬臂梁称重传感器型号：SQB1、灵敏度结构系数2、悬臂梁自由端的挠度(位移)3、等截面悬臂梁的固有振动频率J——梁的横截面的惯性矩，——梁的单位长度的质量。4、结论等截面梁的厚度的减小可以使灵敏度提高，固有振动频率降低。材料的特性参数(E，)对