傳感器中的彈性敏感元件(特性)

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，將被測力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成電量。Chapter3 傳感器中的彈性敏感元件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。xF3B彈性特性彈性特性dxdFxFkx0lim2、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)dFdxSnninniSS111ninniSS1彈性敏感元件的

2、基本特性 彈性滯后彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，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，其材料分子間存在內(nèi)摩擦。xFx12F彈性滯后現(xiàn)象彈性滯后現(xiàn)象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，不時立即完成相應(yīng)的變形，而是在一定時間間隔中逐漸完成變形的現(xiàn)象。 固有頻率估算：K剛度 等效震動質(zhì)量彈性后效現(xiàn)象彈性后效現(xiàn)象x0 x1x2FF0 xemkf21em 諧振頻率：諧振頻率：彈性敏感元件的固有頻率決定其動態(tài)特性，一般來說，固有頻率越高，動態(tài)特性越好。彈性元件是一個質(zhì)量連續(xù)分布的系統(tǒng)，可以有無窮多個諧振點(diǎn)，一般最關(guān)心諧振頻率的最低一個，稱為基頻。敏感元件的

3、諧振頻率可由計算獲得，但必須由實(shí)驗(yàn)校正?？捎孟率焦烙嫞篕剛度 me等效震動質(zhì)量emkf213.3應(yīng)力與應(yīng)變的概念應(yīng)力與應(yīng)變的概念1.應(yīng)力應(yīng)力 截面積為截面積為S S的物體受到外力的物體受到外力F F的作用并處于平衡的作用并處于平衡狀態(tài)時，在物體單位截面積上引起的內(nèi)力稱為應(yīng)力狀態(tài)時，在物體單位截面積上引起的內(nèi)力稱為應(yīng)力圖圖1-7 1-7 應(yīng)變種類示意圖應(yīng)變種類示意圖a)a)拉、壓應(yīng)力拉、壓應(yīng)力 b)b)剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力正（向）應(yīng)力：拉伸或壓縮狀態(tài)，拉伸為正（向）應(yīng)力：拉伸或壓縮狀態(tài)，拉伸為正，壓縮為負(fù)。正，壓縮為負(fù)。切切( (向向) )應(yīng)力：物體一端固定，另一端受平行于端面的力作應(yīng)力：物體一端固

4、定，另一端受平行于端面的力作用，圖用，圖1-7b1-7b所示方向?yàn)檎?，反之為?fù)值所示方向?yàn)檎担粗疄樨?fù)值。 2.2.應(yīng)變應(yīng)變物體受外力作用時產(chǎn)生的相對變形物體受外力作用時產(chǎn)生的相對變形縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變l橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變r r切應(yīng)變切應(yīng)變: :切應(yīng)力所產(chǎn)生的變形。切應(yīng)力所產(chǎn)生的變形。 式中，式中， x為力為力F使角點(diǎn)產(chǎn)生位移，使角點(diǎn)產(chǎn)生位移， L為固定端至力作用點(diǎn)之間的距離為固定端至力作用點(diǎn)之間的距離3.3.虎克定律與彈性模量虎克定律與彈性模量=E=G式中，式中，E為彈性模量或稱楊氏模量，單位為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；為剪切模量或稱剛性模量； 為切應(yīng)

5、力。為切應(yīng)力。彈性模量E 當(dāng)材料經(jīng)受外部的負(fù)擔(dān)時它被彎曲或拉緊。 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3.4常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能常用彈性元件的結(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。彈性敏感元件的類型彈性敏感元件的類型 1.變換力的彈性敏感元件變換力的彈性敏感元件圖圖3-1 3-1 變換力的彈性敏感元件變換力的彈性敏感元件a)a)實(shí)心軸實(shí)心軸 b)b)空心軸空心軸 c c、d

6、)d)等截面圓環(huán)等截面圓環(huán) e)e)變形的圓環(huán)變形的圓環(huán)f)f)等截面懸梁等截面懸梁 g)g)等強(qiáng)度懸臂梁等強(qiáng)度懸臂梁 h)h)變形的懸臂梁變形的懸臂梁 i)i)扭轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)軸2.變換壓力的彈性元件變換壓力的彈性元件圖圖3-2 3-2 變換壓力的彈性敏感元件變換壓力的彈性敏感元件a)a)彈簧管彈簧管 b)b)波紋管波紋管 c)c)等截面薄板等截面薄板 d)d)膜盒膜盒 e)e)薄壁圓簡薄壁圓簡 f)f)薄壁半球薄壁半球 1、基本拉壓、基本拉壓 ：材料受力變形的最基本形式是拉壓變形，由下式計算： 式中：為應(yīng)變，即單位長度的變形， 因此它是一個無量綱，習(xí)慣上將10-6稱為一個微應(yīng)變；l 是受力后發(fā)生

7、的變形，l為受載變形長度；E為材料的彈性模量，單位Pa，它是一個僅與材料有關(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，橫向也會發(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)手冊查得。 等截面桿件、等壁厚圓筒可視為基本拉伸結(jié)構(gòu)。E ll x 2、彈性梁、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)距固定端的長度，h為梁的厚度，x為測試點(diǎn)的位置

8、。 3、環(huán)形結(jié)構(gòu)、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)也常用于測量力傳感器;4、膜片式結(jié)構(gòu)、膜片式結(jié)構(gòu)膜片式結(jié)構(gòu)可用于測量與微小位移有關(guān)的量。雖然膜片的結(jié)構(gòu)非常簡單，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)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 平膜適合與測量受均布載荷的情形，

9、圓形平膜的結(jié)構(gòu)如圖所示， 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壓力轉(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5、彈性諧振元件、彈性諧振元件 : 彈性諧振元件能將被測量轉(zhuǎn)變成頻率信號，常用的諧振元件有振動弦、振動梁、振動膜和振動筒。6、其它結(jié)構(gòu)、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

10、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3.5彈性敏感元件的材料彈性敏感元件的材料 對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)??；具有良好的工藝性，如機(jī)械加工性能和熱處理性能；較好的耐腐蝕性能彈性滯后小。一種材料很難滿足上述所有的條件，選用時要根據(jù)傳感器的工作和使用條件綜合考慮。 常用的彈性合金可分為兩大類：高彈性合金和恒彈性合金。3. 5 彈性敏感元件的材料彈性敏感元件的材料表表1-1 常用彈性材料性能表常用彈性材料性能表序序號號名稱名稱彈性模量彈性模量/(N/m/(N/m2 2) )材料按序號說明材料按序號說明E E(10(101111) )G G(10(109 9) )1 14