第3章___应变式传感器.ppt

第一节 弹性敏感元件 一、概念 变形:物体因外力作用改变原来的尺寸、形状. 弹性形变:外力去掉后完全恢复原来的尺寸、形状的变形。 弹性元件:具有弹性形变特点的元件. 当弹性敏感元件受拉(压)力时，元件除了产生变形外，其内部横截面之间还存在相互的作用力，内力(N),单位:牛顿. 应力:单位横截面积S(单位为mm2)上所受的力，记为σ. 应变:单位长度产生的变形称为相对变形. 记为 : 弹性模量在材料弹性范围内σ／ε.为常数. 记为E: 拉压虎克定律为 σ= E *ε 或 ε = σ/ E = N / ES 二、弹性敏感元件的特性 刚度:弹性元件在外力作用下变形大小的量度. 用K来表示， k = dF/dx ( F为外力;x为变形 ) 弹性特性曲线上某点A处的刚度 k = dF/dx=tgθ 2．灵敏度 弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小. 又称为弹性元件的柔度. 是刚度的倒数，用K表示. K = dx/dF 3.弹性滞后 弹性滞后现象:弹性元件在加、卸载的正反行程中变形曲线不重合的现象. 主要原因是：弹性敏感元件在工作过程中分子间存在内磨擦。 4．弹性后效 弹性后效:当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的现象. 当作用在弹性敏感元件上的力由零增加至F0时，弹性敏感元件的变形首先由零迅速增加至Xl，然后在载荷未改变的情况下继续变形到Xo为止。 力由F0减至零，弹性敏感元件的变形也是先由X0而减至X2,然后继续减小变形，到变形等于零为止。 弹性后效现象的存在将引起测量误差。 原因：弹性敏感元件中的分子间存在内磨擦。 5．固有振动频率 固有振动频率fo，影响传感器的动态特性。 工作频率应避开弹性敏感元件的固有振动频率，希望fo较高。 三、对弹性敏感元件材料的要求 (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)膨胀系数要小且稳定： (4)有良好的机械加工和热处理性能： (5)要求耐腐蚀，有良好的导电性或高的绝缘性。 四、常用的弹性敏感元件材料 国外一般使用合金结构钢，例如中碳铬镍钼钢，中碳铬锰 硅钢，弹簧钢等，不锈钢。 我国通常使用合金钢，碳钢，铜合金和铌基合金,石英玻璃及陶瓷材料。 五、弹性敏感元件的分类 输入到弹性敏感元件上的信号通常为力(力矩)或压力， 输出是位移(挠度)或应变，按变换形式分有‘‘力—应变’，、‘‘力-位移’，、‘‘压力-位移’’、‘‘力矩—角度’’等类型。 六、变换力的弹性敏感元件 输入量为力F，输出量是应变、位移的敏感元件. 在力的作用下，位移很小，用它的应变作为输出量. 元件：实心柱、空心圆柱、矩形柱、等截面圆环、扭转轴、 等截面悬臂梁、等强度悬臂梁。 1、实心柱敏感元件 又称实心等截面轴、柱式弹性敏感元件. 设轴的横截面积为S，轴材料的弹性模量为E，材料的泊松比为μ。 当等截轴承受轴向拉力、压力时，轴向的应变为εx εx = F/S*E 与轴向垂直方向上的应变为εy 2．环状弹性元件 做成等截面圆环，灵敏度高，用于测量较小的力，加工困难，各个部位的变形及应力不相等。 3．悬臂梁 一端固定，一端自由的弹性敏感元件. 特点：结构简单、加工方便。 输出：应变、挠度。 灵敏度比等截面轴及圆环高，用于较小力的测量。 等截面悬臂梁、变截面等强度悬臂梁. A.等截面悬臂梁 任一指定点A，上下表面的应变大小、相等，符号相反. 设梁的截面厚度为δ，宽度为b，总长为L. 在距离固定端L处的ε为 最大应变产生在梁的根部,在等截面梁的不同部位产生的应变是不相等的. B.等强度悬臂梁 当梁的自由端有力F作用时，沿梁的整个长度上的应变处处相等，灵敏度与梁长度方向的坐标无关。 4.扭转轴 在扭矩T的作用下，扭转轴的表面产生拉伸、压缩应变。 七、变换压力的弹性敏感元件 将气体和液体等的压力转换为位移或应变的弹性敏感元件。 类型有： 弹簧管、波纹管、等截面薄板、膜盒、薄壁圆筒、薄壁半球。 第二节 电阻应变计 将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。 基于电阻应变效应制成。 压力、荷重、位移、速度、加速度、扭矩等，都可以利用电阻应变计转换为电信号. 电阻应变式传感器：利用电阻应变片将应变转