傳感器中的彈性敏感元(II)

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1、第3章傳感器中的彈性敏感元件設(shè)計(jì)變形:物體在外力作用下改變?cè)瓉?lái)的尺寸或形狀的現(xiàn)象。彈性變形:如果外力去掉后物體能夠完全恢復(fù)原來(lái)的尺寸和形狀的變形。彈性元件:具有彈性變形特性的物件彈性敏感元件是通過(guò)物體彈性變形這一特性，把力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后配合其它各種形式的傳感元件，將被測(cè)力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成電量的一種元件。3.1彈性敏感元件的基本特性3.1.1彈性特性作用在彈性敏感元件上的外力與該外力引起的相應(yīng)變形（應(yīng)變、位移式轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系稱為彈性元件的彈性特性。彈性特性可由剛度或靈敏度來(lái)表示。一、剛度F——作

2、用在彈性元件上的外力；x——彈性元件產(chǎn)生的變形。剛度可以反映元件抵抗彈性變形能力的強(qiáng)弱。3.1彈性敏感元件的基本特性二、靈敏度靈敏度就是單位力作用下產(chǎn)生變形的大小m——并聯(lián)或串聯(lián)彈性敏感元件的數(shù)目；Sni——第i個(gè)彈性敏感元件的靈敏度。3.1彈性敏感元件的基本特性（串聯(lián)）（并聯(lián)）3.1彈性敏感元件的基本特性3.1.2彈性滯后對(duì)彈性元件進(jìn)行加載，可繪制一條彈性特性曲線，然后卸載，可繪制另一條彈性特性曲線。兩條曲線往往并不重合，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后。彈性變形之差，叫做彈性敏感元件的滯后誤差。曲線1、2所包圍的范圍稱為滯環(huán)。3.1

3、.3彈性后效彈性元件上載荷發(fā)生改變時(shí)，相應(yīng)的變形往往不能立即完成，而是在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)逐漸完成，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。3.1彈性敏感元件的基本特性3.1彈性敏感元件的基本特性3.1.4固有振動(dòng)頻率彈性敏感元件的動(dòng)態(tài)特性和被測(cè)載荷變化時(shí)的滯后現(xiàn)象等，都與元件的固有振動(dòng)頻率有關(guān)。固有振動(dòng)頻率有多階，通常只關(guān)心其中的最低階，且一般地總希望彈性敏感元件具有較高的固有振動(dòng)頻率。固有頻率的計(jì)算比較復(fù)雜，只有少數(shù)規(guī)則形狀的彈性元件具有理論解，所以實(shí)際中常常通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。3.2彈性敏感元件的材料彈性敏感元件在傳感器中直接參與變換和測(cè)量，因

4、此材料的選用十分重要。在任何情況下，材料應(yīng)保證具有良好的彈性，足夠的精度和穩(wěn)定性。通常使用的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼、銅合金、鋁合金等。鉻錳彈簧鋼和鉻釩彈簧鋼具有優(yōu)良的機(jī)械性能，可用于制作承受交變載荷的重要彈性敏感元件。黃銅可用于制造受力不大的彈簧及膜片。德銀用于制造抗腐蝕的彈性元件。錫磷青銅用于制造一般的彈性元件或抗腐蝕性能好的彈性元件。鈹青銅用于制造精度高、強(qiáng)度好的彈性敏感元件。不銹鋼用于制造強(qiáng)度高、耐腐蝕性好的彈性敏感元件。3.2彈性敏感元件的材料對(duì)彈性敏感元件材料的基本要求歸納如下：（1）彈性滯后和彈性后效要?。唬?）彈性模

5、量的溫度系數(shù)要??；（3）線膨脹系數(shù)要小且穩(wěn)定；（4）彈性極限和強(qiáng)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(jī)械加工和熱處理性能。3.3彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算3.3.1彈性圓柱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。彈性圓柱上任一點(diǎn)處在與軸線成角的截面上的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)閺椥詧A柱上各點(diǎn)在垂直于軸線的截面上（=90°）的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)?.3彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算3.3彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算在平行軸線的截面上（=0°）應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)?.3彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算圓柱應(yīng)變的一般表達(dá)式為圓柱內(nèi)

6、各點(diǎn)的應(yīng)變大小決定于圓柱的靈敏度結(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(zhǎng)度無(wú)關(guān)。柱形彈性元件的固有頻率f0為為了提高靈敏度，應(yīng)當(dāng)選擇彈性模量小的材料，此時(shí)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(lái)得小，總的衡量還是有利的。不降低應(yīng)變值來(lái)提高固有頻率必須減短圓柱的長(zhǎng)度或選擇密度低的材料。3.3彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算3.3彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算上述所有結(jié)論同時(shí)適用于空心截面和實(shí)心截面的圓柱彈性敏感元件?？招慕孛娴膹椥栽谀承┓矫鎯?yōu)于實(shí)心元件：在同樣的截面積情況下，空心截面圓柱的外直

7、徑可以較大，因此圓柱的抗彎能力大大提高；另外，較大直徑圓柱對(duì)于由溫度變化而引起的曲率半徑相對(duì)變化敏感程度較小，從而使溫度變化對(duì)測(cè)量的影響減小。但應(yīng)注意的是，如果空心圓柱的壁太薄，受壓力作用后將產(chǎn)生較明顯的屈曲變形（桶形變形），影響測(cè)量精度。3.3彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算3.3.2懸臂梁懸臂梁是一端固定一端自由的金屬梁。作為彈性敏感元件，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，適用于較小力的測(cè)量。根據(jù)梁的截面形狀不同又可分為等截面梁和等強(qiáng)度梁。3.3彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算一、等截面梁隨著位置x的不同，在梁上各個(gè)位置所產(chǎn)生的應(yīng)變也是

8、不同的。在x=0處應(yīng)變最大，在x=l處應(yīng)變?yōu)榱恪?.3彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算撓度y與作用力F的關(guān)系為等截面懸臂梁的固有振動(dòng)頻率為作用力F必須加在梁的兩斜邊的交匯點(diǎn)T處，否則無(wú)法保證各處的應(yīng)變大小相等。二、等強(qiáng)度梁3.3彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算等強(qiáng)度梁自由端撓度為固有振動(dòng)頻率表達(dá)式為3