傳感器中的彈性敏感元件

傳感器中的彈性敏感元件第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.1引言一、變形物體在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象。二、彈性變形當外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀，那么這種變形稱為彈性變形。三、彈性元件具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。四、彈性元件類型基本上可以分為兩種類型：彈性敏感元件和彈性支承。第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日五、彈性敏感元件

彈性敏感元件感受力、力矩、壓力等被測參數(shù)，并通過它將被測量變換為應(yīng)變、位移等。也就是通過它把被測參數(shù)由一種物理狀態(tài)變換為另一種所需要的相應(yīng)物理狀態(tài)。它直接起到測量的作用。六、彈性支承彈性支承常常作為傳感器中活動部分的支承，起支承導(dǎo)向作用，因而要求有內(nèi)摩擦力小、彈性變形大等特點。以便保證傳感器的活動部分得到良好的運動精度。第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.2彈性敏感元件的基本特性

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)系稱為彈性元件的彈性特性，它可能是線性的,也可能是非線性的。3.2.1彈性特性線性非線性非線性第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日一、剛度

剛度是彈性敏感元件在外力作用下抵抗變形的能力一般用k表示，其數(shù)學表達式為F——作用在彈性元件上的外力；

x——彈性元件產(chǎn)生的變形。線性非線性非線性

彈性特性曲線上某點A的剛度，可通過A點作曲線的切線A它代表了彈性元件在A點處的剛度。第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日

如果彈性元件的彈性特性是線性的，則其的剛度是一個常數(shù)。線性非線性非線性A第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、靈敏度靈敏度是剛度的倒數(shù)，一般用Sn表示:

在傳感器中，有時需應(yīng)用幾個彈性元件串聯(lián)或并聯(lián)。當彈性敏感元件并聯(lián)時，系統(tǒng)的靈敏度為當彈性敏感元件串聯(lián)時，系統(tǒng)的靈敏度為第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.2.2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)象稱為彈性滯后現(xiàn)象。

彈性變形之差x叫做彈性敏感元件的滯后誤差。這種滯后誤差將會給測量帶來誤差。曲線1、2所包圍的范圍稱為滯環(huán)。引起彈性滯后的原因，主要是由于彈性敏感元件在工作時材料分子問存在內(nèi)摩擦。第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.2.3彈性后效

彈性敏感元件所加荷載改變后，不是立即完成相應(yīng)的變形，而是在一定時間間隔中逐漸完成變形的現(xiàn)象稱為彈性后效現(xiàn)象。

由于彈性后效存在，彈性敏感元件不能迅速地隨作用力的改變而改變，使測量造成誤差。第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.2.4固有振動頻率彈性敏感元件的動態(tài)特性和變換時的滯后現(xiàn)象，與它的固有振動頻率有關(guān)，一般總希望它具有較高的固有頻率。

固有頻率的計算比較復(fù)雜，實際中常常通過實驗來確定。但也可用下式進行估算：——彈性敏感元件剛度；——彈性敏感元件的等效振動質(zhì)量。第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.3彈性敏感元件的材料對材料的基本要求是：

(1)彈性滯后和彈性后效要??；

(2)彈性模數(shù)的溫度系數(shù)要??；

(3)線膨脹系數(shù)要小且穩(wěn)定；

(4)彈性極限和強度極限要高；

(5)具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性；

(6)具有良好的機械加工和熱處理性能。第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.3彈性敏感元件的材料常用彈性材料：合金鋼、銅合金；35CrMnSiA,40Cr,50CrMnA,50CrVA第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.4彈性敏感元件的特性參數(shù)計算3.4.1彈性圓柱(實心和空心)

在力的作用下，它往往以應(yīng)變作為輸出量。在軸向承受作用力F(拉或壓)時，在與軸線成角的截面上所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)镕——沿軸線方向上的作用力;E——材料的彈性模量；——材料的泊松系數(shù)：A——圓柱的橫截面積；——截面與軸線的夾角。第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日1、在軸向(＝0)產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)?、在橫向(＝90o)產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榈谑捻?，共四十五頁?022年，8月28日3、靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)的概念圓柱的應(yīng)變大小決定于圓柱的靈敏結(jié)構(gòu)系數(shù)、橫截面積、材料性質(zhì)和圓柱所承受的力，而與圓柱的長度無關(guān)。在軸線方向上的應(yīng)力、應(yīng)變最大。4、應(yīng)力、應(yīng)變的特點第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日5、柱形彈性元件的固有頻率——柱形元件的長度；——柱形元件的單位長度的質(zhì)量。6、彈性敏感元件單位長度的質(zhì)量——柱形材料的密度第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日7、結(jié)論為了提高應(yīng)變量，應(yīng)當選擇彈性模量小的材料，此時雖然相應(yīng)的固有頻率降低了，但固有頻率降低的程度比應(yīng)變量的提高來得小，總的衡量還是有利的。不降低固有頻率來提高應(yīng)變量必須減小彈性元件的截面積。不降低應(yīng)變值來提高固有頻率必須減短圓柱的長度或選擇密度低的材料。柱形彈性敏感元件主要用于電阻應(yīng)變式拉力、壓力傳感器中。第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.4.2懸臂梁

懸臂梁是一端固定一端自由的彈性敏感元件，它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便．在較小力的測量中應(yīng)用較多。根據(jù)梁的截面形狀不同又可分為等截面梁和變截面(等強度粱)。一、等截面梁——距固定端為處的應(yīng)變值——梁的長度；——某一位置到固定端的距離；——梁的材料的彈性模量；A——梁的截面積h——梁的厚度。懸臂梁稱重傳感器 型號：SQB第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日1、靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)2、懸臂梁自由端的撓度(位移)第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日3、等截面懸臂梁的固有振動頻率J——梁的橫截面的慣性矩，

——梁的單位長度的質(zhì)量。第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日4、結(jié)論

等截面梁的厚度的減小可以使靈敏度提高，固有振動頻率降低。材料的特性參數(shù)(E，)對靈敏度和固有頻率都有影響。第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、變截面梁(等強度粱)

等強度梁在自由端加上作用力時，在梁上各處產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等。它的靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)與長度方向的坐標無關(guān)，都等于6，這給應(yīng)變式傳感器帶來了很大方便。

為了保證等應(yīng)變性：作用力F必須加在梁的倆斜邊的交匯點T處。等強度梁各點的應(yīng)變值為：第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日其自由端的撓度懸臂梁稱重傳感器 型號：SQB

懸臂梁稱重傳感器第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.4.3扭轉(zhuǎn)棒——力矩；——扭轉(zhuǎn)棒圓半徑；——橫截面對圓心的極慣性矩；——扭轉(zhuǎn)棒直徑。

在力矩測量中常常用到扭轉(zhuǎn)棒，當棒端承受力矩時，在棒表面產(chǎn)生的最大剪切應(yīng)力為最大剪應(yīng)力與作用的力矩成正比，而與其橫截面的極慣性矩和半徑之比成反比。第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日單位長度的扭轉(zhuǎn)角G為扭轉(zhuǎn)棒材料的剪切彈性系數(shù)。表明單位長度扭轉(zhuǎn)角與扭矩成正比，而與抗扭剛度成反比?！古偠鹊诙屙摚菜氖屙?，2022年，8月28日扭轉(zhuǎn)棒長度為l時的扭轉(zhuǎn)角為第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日

在與軸線成45o度角的方向上出現(xiàn)最大垂直應(yīng)力，其數(shù)值與最大剪切應(yīng)力相等，即這時最大應(yīng)變?yōu)榈诙唔?，共四十五頁?022年，8月28日3.4.4圓形膜片和膜盒

圓形膜片分平面膜片和波紋膜片兩種。在相同壓力情況下，波紋膜片可產(chǎn)生較大的撓度。一、圓形平膜片

圓形平膜片在均布載荷情況下應(yīng)力分布如圖所示。在壓力F作用下，中心最大撓度為：——壓力；——膜片的半徑；——膜片的厚度；——膜片中心的最大撓度（位移）。第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日

圓形膜片中心的位移與壓力間呈非線性關(guān)系，為了減小非線性，位移量應(yīng)當比膜片的厚度要小的多。時,撓度與壓力的關(guān)系具有下面的關(guān)系第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日在半徑為處膜片的應(yīng)變值圓形平膜片的固有振動頻率第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、波紋膜片

波紋膜片是一種壓有環(huán)狀同心波紋的圓形薄板，一般用來測量壓力（或壓差），為了增加膜片中心的位移，可把數(shù)個膜盒串聯(lián)成膜盒組。第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日

波紋膜片的形狀可以做成多種形狀，通常采用的波紋形狀有正弦形、梯形、鋸齒形波形，波紋高度在0.7~1mm范圍內(nèi)變化，膜片厚度通常在0.05~0.3mm的范圍內(nèi)變化。

第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.4.5彈簧管

彈簧管又稱波登管，它是彎曲成各種形狀的空心管子，大多數(shù)是C型彈簧管。螺旋形彈簧管C型組合彈簧管一、彈簧管的類型第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、彈簧管的工作原理

彈簧管的截面形狀為橢圓形，卵形或更復(fù)雜的形狀。它主要在流體壓力測量中作為壓力敏感元件，將壓力變換為彈簧端部的位移。第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日

彈簧管的一端連在管接頭上，壓力通過管接頭導(dǎo)入彈簧管的內(nèi)腔，管的另一端（自由端）封閉，并與傳感器的其他部分相連。在壓力作用下，管子的截面改變了形狀，截面的短軸伸長，長軸縮短，截面形狀的變化導(dǎo)致彈簧管趨向伸直，一直伸到與壓力的作用相平衡為止（虛線所示）。第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日

對于橢圓形截面薄壁彈簧管（管壁厚和短半軸之比不超過0.7~0.8時），其自由端的位移和所受壓力之間的關(guān)系可用下式表示——彈簧管的曲率半徑；——彈簧截面的長半軸和短半軸；

——彈簧管的壁厚；——彈簧管的基本參數(shù)，；

——系數(shù)，其值可查表3-2和表3-3。

第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日

彈簧管特性是線性的，其線性保持到一定的壓力值，超過值時，線性破壞，因此稱為彈簧管的極限壓力。第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.4.6波紋管

波紋管是一種表面上有許多同心環(huán)狀形波形皺紋的薄壁圓管。在流體壓力（或軸向力）的作用下，將產(chǎn)生伸長或縮短；在橫向力作用下，波紋管將在平面內(nèi)彎曲。金屬波紋管的軸向容易變形，也就是說靈敏度非常好，在變形量允許的情況下，壓力（或軸向力）的變化與伸縮量是成比例的，所以利用它可把壓力（或軸向力）變換為位移。第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日一、波紋管的軸向位移與軸向作用力之間關(guān)系可表示為

——軸向集中作用力；——工作的波紋數(shù)；

——波紋管內(nèi)半徑處的壁厚，即毛壞的厚度。——波紋管的外半徑；

——波紋管的內(nèi)半徑；——波紋管的圓弧半徑?！y平面部分的斜角（又叫緊密角）——相鄰波紋的間隙。第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日——取決于K參數(shù)和m的系數(shù)。

計算K和m出后，可由圖表查得。第四十頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、當作用于波紋管的為壓力時，波紋管的自由端位移可表示為

——作用壓力；——有效面積；——波紋管的平均半徑。

第四十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日

波紋管自由端位移與軸向或壓力成正比，即彈性特性是線性的。但是在很大壓力或拉壓作用下，波紋管的剛度會增大，從而破壞了線性特性。只是在以二點為界線的工作范圍內(nèi)保持線性特性。在允許行程內(nèi)波紋管受壓縮時的基本特性的線性度較好，因此通常使其在壓縮狀態(tài)工作。

三、波紋管的工作特性第四十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日

彈性元件的壁厚一般都小于圓筒直徑的1/20