传感器中的弹性敏感元件

1、第三章 传感器中的弹性敏感元件弹性元件的基本特性 作用在弹性元件上的载荷（输入的力、力矩、压力、温度等）与该载荷作用下弹性元件产生的变形之间的关系称为弹性元件的基本特性。力力矩压力位移转角位移1. 特性的表示方法：2004-10-251传感器原理及应用 天津大学 李刚 刚度和灵敏度：（1）刚度： 作用在弹性元件上的载荷增量与弹性元件相应产生的变形增量的比值在变形增量趋近于零时的极限称为弹性元件的刚度。2004-10-252传感器原理及应用 天津大学 李刚 当弹性元件具有线性特性（特性曲线上导数处处相等）时，刚度即为一常数。这时，刚度就是弹性元件产生单位变形所需施加的载荷量。因此，对线性弹性元件

2、就有：2004-10-253传感器原理及应用 天津大学 李刚（2）灵敏度： 刚度的倒数称为灵敏度，也叫做柔度。 同样，当弹性元件具有线性特性时灵敏度也为常数。其数值等于单位载荷作用下弹性元件所产生的变形量。因此，对线性弹性元件就有： 弹性元件的刚度和灵敏度是两个完全等效的概念，可根据需要和场合选用其一。2004-10-254传感器原理及应用 天津大学 李刚（3）组合线性弹性元件的刚度和灵敏度如果把若干个刚度分别为Fi的线性弹性元件并联在一起使用，其总刚度为 ：FF1F2Fn-1FnFi式中；所以： 并联线性弹性元件的刚度和灵敏度2004-10-255传感器原理及应用 天津大学 李刚并联线性弹性

3、元件组成的系统总刚度等于每个元件的刚度之和。并联线性弹性元件组成的系统总灵敏度 j 等于：或： 即并联线性弹性元件组成的系统总灵敏度 的倒数等于每个元件灵敏度的倒数之和。FF 用并联线性弹性元件的方法组成所需非线性特性的弹性元件。2004-10-256传感器原理及应用 天津大学 李刚 串联线性弹性元件的刚度和灵敏度FF11+2 如果把若干个灵敏度分别为ji的线性弹性元件串联在一起使用，其总灵敏度为 :如果把若干个刚度为Fi 的线性弹性元件串联在一起使用，其总刚度为 :或：2004-10-257传感器原理及应用 天津大学 李刚弹性滞后是指在弹性范围内，弹性元件在加载与卸载时特性曲线不重合的现象。

4、F0F00F00F003. 弹性滞后和弹性后效：弹性后效是指载荷改变后，弹性元件的输出变形不是立即完成，而是在一定时间间隔内逐渐完成的现象。2004-10-258传感器原理及应用 天津大学 李刚F0F012max弹性滞后和弹性后效是同时发生的，分别反映了弹性元件的静态特性和动态特性，统称为迟滞误差或滞后误差，用ch表示： 弹性元件产生滞后和后效的原因主要有：弹性元件内部的最大应力；所用材料的金相组织结构与化学成分；弹性元件的加工及热处理等。(分子间存在内摩擦) 解决弹性元件滞后和后效的方法主要有：选取较大的安全系数；合理地选定机构和元件的连接方式，以减少应力集中；2004-10-259传感器原

5、理及应用 天津大学 李刚 采用特殊合金，满足测量的要求等。4. 有效面积Ax： 弹性元件把作用于其上的压力（压差）转化为集中力的能力。 P(kg/cm2)-F(kg)5. 温度特性-T越大,弹性模量降低E=E01+Bt(t-t0) l=l01+at(t-t0) 热胀冷缩现象6. 固有频率-提高灵敏度会降低固有频率,使动态特性变差7. 机械品质因数2004-10-2510传感器原理及应用 天津大学 李刚几种常用弹性敏感元件介绍（一）膜片、膜盒 结构和用途：（1）结构：膜片是一种周边固定的圆形弹性薄片；根据轴向截面形状的不同分成平膜片和波纹膜片两种。为了便于膜片与输出机构的其他零件相连，一般在膜片

6、中心焊有硬芯。2004-10-2511传感器原理及应用 天津大学 李刚2004-10-2512传感器原理及应用 天津大学 李刚（2）用途： 测量压力、压差的弹性敏感元件； 用于隔离两种流体介质隔离膜片。（3）材料：分为金属和非金属两大类。（4）测压范围及尺寸：从mmH2O 几百个大气压； 直径从几个mm 几百个mm；2004-10-2513传感器原理及应用 天津大学 李刚 金属膜片厚度为0.06mm 1.5mm； 非金属膜片厚度为0. 1mm 5mm 。（5）波纹膜片的特点：与平膜片相比，波纹膜片的容许位移较大，即位移的线性区域较大；灵敏度较高；工作更可靠。在外廓尺寸不大时，可以得到较大的集中

7、力有效面积大；适当选取波纹形状可以得到不同的输出特性。2004-10-2514传感器原理及应用 天津大学 李刚2004-10-2515传感器原理及应用 天津大学 李刚（6）膜盒与膜盒组：把两个膜片沿边缘焊接在一起制成膜盒。在输入量相同的条件下，膜盒的输出位移比膜片增大近一倍，提高了测量灵敏度。把几个膜盒首尾相连构成膜盒组，相当于弹性元件的串联使用，同样可使灵敏度大大提高。2004-10-2516传感器原理及应用 天津大学 李刚2004-10-2517传感器原理及应用 天津大学 李刚2. 平膜片的计算公式 ：式中：R膜片的工作半径；h膜片的厚度；E膜片的弹性模量；膜片材料的泊松比，对于金属材料=

8、0.3。当h时，上式简化为：结构：周边刚性固定、无硬芯的平膜片，在均匀压力P的作用下，膜片中心位移量与压力P的关系式为：2004-10-2518传感器原理及应用 天津大学 李刚3. 波纹膜片的选型依据 ：结构：波纹管是一种具有环形波纹的圆柱形薄壁管。（1）膜片所受的力；（2）允许的迟滞误差；（3）所需要的特性；（4）非线性度等。4. 膜片有效面积的计算 ：对于平膜片（经验公式）：对于波纹膜片（近似公式）：式中：R膜片的工作半径；r 膜片的硬芯半径。（二）波纹管2004-10-2519传感器原理及应用 天津大学 李刚2004-10-2520传感器原理及应用 天津大学 李刚2. 工作原理及特点：（

9、1）工作原理：在轴向力的作用下波纹管将伸长或缩短；在横向力的作用下波纹管将在轴向平面内弯曲。 （2）特点：波纹管在很大的变形范围内与压力具有线性关系，有效面积比较稳定。波纹管的滞后误差较大，刚度较小。2004-10-2521传感器原理及应用 天津大学 李刚（3）波纹管的选用依据：结构尺寸；刚度； 非线性度等。输出位移与输入力的关系输出位移与输入压力的关系2004-10-25222004-10-2523传感器原理及应用 天津大学 李刚A1A2A0B0mm0.050.060.070.080.090.050.060.070.080.090.0040.0080.0120.0160.0200.0240.

10、0280.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070000102030405060700.020.040.060.080.100.120.142004-10-2524传感器原理及应用 天津大学 李刚（三）弹簧管（包端管） 结构及工作原理：2004-10-2525传感器原理及应用 天津大学 李刚2004-10-2526传感器原理及应用 天津大学 李刚弹性敏感元件（弹簧管） 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移2004-10-2527传感器原理及应用 天津大学 李刚2004-10-2528传感器原理及应用 天津大学 李刚2. 选用：2004-10-2529传感器原理及应用 天津大学 李刚压力传感器的外形及内部结构2004-10-2