第三章传感器的弹性敏感元件设计研究报告.ppt

第3章 传感器中的弹性敏感元件设计 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 3.2 弹性敏感元件的材料 3.3 弹性敏感元件的特性参数计算 3.3.1 弹性圆柱 3.3.2 悬臂梁 3.3.3 扭转棒 3.3.4 平膜片 3.3.6 薄壁圆筒 3.3.7 双端固定梁 变形:物体在外力作用下改变原来的尺寸或形状的现象。 弹性变形:如果外力去掉后物体能够完全恢复原来的尺寸和形状的变形。 弹性元件:具有弹性变形特性的物件。 弹性敏感元件：通过物体弹性变形这一特性，把力、力矩或压力转换成为相应的应变或位移，然后配合其它各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力转换成电量的一种元件。 3.1 弹性敏感元件的基本特性 3.1.1 弹性特性 作用在弹性敏感元件上的外力与该外力引起的相应变形（应变、位移式转角）之间的关系称为弹性元件的弹性特性。弹性特性可由刚度或灵敏度来表示。 一、刚度 F —— 作用在弹性元件上的外力； x —— 弹性元件产生的变形。 刚度可以反映元件抵抗弹性变形能力的强弱。 二、灵敏度 灵敏度就是单位力作用下产生变形的大小。 　 m —— 并联或串联弹性敏感元件的数目； Sni—— 第i个弹性敏感元件的灵敏度。 3.1.2 弹性滞后 3.1.3 弹性后效 弹性元件上载荷发生改变时，相应的变形往往不能立即完成，而是在一个时间间隔内逐渐完成，这种现象称为弹性后效。 3.1.4 固有振动频率 弹性敏感元件的动态特性和被测载荷变化时的滞后现象等，都与元件的固有振动频率有关。 固有振动频率有多阶，通常只关心其中的最低阶，且一般地总希望弹性敏感元件具有较高的固有振动频率 。 固有频率的计算比较复杂，只有少数规则形状的弹性元件具有理论解，所以实际中常常通过实验来确定。 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，因此材料的选用十分重要。在任何情况下，材料应保证具有良好的弹性，足够的精度和稳定性。 通常使用的材料为合金结构钢、铜合金、铝合金等。铬锰弹簧钢和铬钒弹簧钢具有优良的机械性能，可用于制作承受交变载荷的重要弹性敏感元件。黄铜可用于制造受力不大的弹簧及膜片。德银用于制造抗腐蚀的弹性元件。锡磷青铜用于制造一般的弹性元件或抗腐蚀性能好的弹性元件。铍青铜用于制造精度高、强度好的弹性敏感元件。不锈钢用于制造强度高、耐腐蚀性好的弹性敏感元件。 对弹性敏感元件材料的基本要求归纳如下： （1）弹性滞后和弹性后效要小； （2）弹性模量的温度系数要小； （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 弹性敏感元件的特性参数计算 3.3.1 弹性圆柱 柱形弹性敏感元件主要用于电阻应变式拉力（压力）传感器中。 弹性圆柱上任一点处在与轴线成 角的截面上的 应力、应变为 弹性圆柱上各点在垂直于轴线的截面上（a = 90°） 的应力、应变为 在平行轴线的截面上（a = 0°）应力、应变为 圆柱应变的一般表达式为： 圆柱内各点的应变大小决定于圆柱的灵敏度结构系数、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。 柱形弹性元件的固有频率f0为： 为了提