传感器的弹性敏感元件.ppt

传感器的弹性敏感元件,第三章,传感器的组成,辅助电源,敏感元件,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,绪 论 3.1 弹性敏感元件的基本特性 3.2 弹性敏感元件的材料 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算,绪 论1,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，直接起到测量作用,在传感器技术中非常重要的。弹性敏感元件可以把力、力矩或压力变换成相应的应变和位移。 弹性元件分为：1.弹性敏感元件 2.弹性支承 其中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）,绪 论2,定义: 1.变形物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形. 2.弹性变形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, 3.弹性元件具有弹性变形的物体称为弹性元件. 4.弹性敏感元件能感受力、力矩、压力等被测值，并变换成为弹性元件本身的应变位移（挠度）等，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.,3.1 弹性敏感元件的基本特性,3.1.1弹性特性 3.1.2.弹性滞后 3.1.3.弹性后效 3.1.4 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,弹性特性作用在弹性敏感元件上的外力与其相应变形（应变、位移或转角）间的关系称为弹性元件的弹性特性，弹性特性具有线性和非线性，如1.线性2.3.非线性 （1）.刚度 刚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 F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 （2）灵敏度 灵敏度单位力产生变形的大小，是刚度的倒数与特性曲线有关，线性为常数，非线性为变数。,3.1 弹性敏感元件的基本特性 3.1.2.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 称为弹性滞后现象。 曲线1.2所包围的范围称为滞环，这种误差给测量带来误差，原因是由于 弹性敏感元件在工作时分子间存在内摩擦。,当弹性元件上的力由0增加到F时为1，由F减到0时为2， 作用力由0 - F和由F - 0时，弹性变形最大之差X称为弹性敏感元件的滞后误差,3.1 弹性敏感元件的基本特性 3.1.3.弹性后效,当弹性敏感元件所加荷载改变后，不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。,当作用到弹性敏感元件上的力由0突然增加到F0时，变形为0-X1，然后继续 变形直到X0为止。相反由F0突然减至0，变形由X0-X2 然后继续变形直到变形为0止， 由于弹性后效存在，弹性敏感元件的变形不能迅速地随作用力的改变而改变，使测量造成误差，特别在动态测量中，这种现象影响更加严重,3.1 弹性敏感元件的基本特性 3.1.4 固有振动频率,弹性敏感元件的动态特性和被测参数时的滞后现象，在很大程度上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，由于计算比较复杂，一般通过实验来确定，也可用下式来计算： me弹性敏感元件的等效振动质量 k弹性敏感元件的刚度 在设计时，常遇到线性度、灵敏度、固有频率之间的矛盾，往往是提高灵敏度，线性误差，固有频率降低，不能满足测量动态量的要求，因此，需根据具体情况和要求加以考虑。,3.2 弹性敏感元件的材料,3.2 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特性， 足够的精度和稳定性 基本要求是： A 弹性滞后和弹性后效要小 B 弹性测量的温度系数要小 C 线膨胀系数要小且稳定 D 弹性极限和强度极限要高 E 具有良好的稳定性和耐腐蚀性 F 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 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 期稳定性，疲劳实验等。,3.3 弹性敏感元件的特性参数计算,3.3.1.弹性园柱,3.3.2 悬臂梁式,3.3.3 圆形膜片,(实心,空心)柱的截面积为A,轴向应变。,3.3 弹性敏感元件的特性参数计算 3.3.1.弹性园柱,3.3 弹性敏感元件的特性参数计算 3.3.1.弹性园柱,在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为 ：,1沿轴向的应变； 2沿横向的应变； 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 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,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.,一端固定，一端自由，厚度为h, 长度L0 ，自由端力F 的作用点到应变片的距离为L ，该点的协强：,此位置上下两侧分别粘有4只应变片，R1、R4同侧；R3 、R2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。,3.3 弹性敏感元件的特性参数计算 3.3.2 悬臂梁式, 等截面梁式, 等应力（等强）梁式 变截面梁,通常采用厚度 h 不变，宽度 b 改变来满足：,其他讨论与等截面梁式荷重传感器相同。,3.3 弹性敏感元件的特性参数计算 3.3.2 悬臂梁式, 薄板式(膜片式) 当流体的压强作用在薄板上，薄板就会产生形变(应变)，贴在另一侧的应变片随之形变(应变).,3.3 弹性敏感元件的特性参数计算 3.3.3 圆形膜片,正应变最大, 贴片位置,在t =r的两个半径处分别粘贴个用于检测径向应变和切向应变的应变片，构成全差动电桥。,3