傳感器中的彈性敏感元.ppt

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1、第3章傳感器中的彈性敏感元件3.1引言3.2彈性敏感元件的基本特性3.3彈性敏感元件的材料3.4彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算3.1引言一、變形物體在外力作用下而改變?cè)瓉沓叽缁蛐螤畹默F(xiàn)象。二、彈性變形當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀，那么這種變形稱為彈性變形。三、彈性元件具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。四、彈性元件類型基本上可以分為兩種類型：彈性敏感元件和彈性支承。五、彈性敏感元件彈性敏感元件感受力、力矩、壓力等被測(cè)參數(shù)，并通過它將被測(cè)量變換為應(yīng)變、位移等。也就是通過它把被測(cè)參數(shù)由一種物理狀態(tài)變換為另一種所需要的相應(yīng)物理狀態(tài)。它直接起到測(cè)量的作用。六、

2、彈性支承彈性支承常常作為傳感器中活動(dòng)部分的支承，起支承導(dǎo)向作用，因而要求有內(nèi)摩擦力小、彈性變形大等特點(diǎn)。以便保證傳感器的活動(dòng)部分得到良好的運(yùn)動(dòng)精度。3.2彈性敏感元件的基本特性作用在彈性敏感元件上的外力與其引起的相應(yīng)變形(應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角)之間的關(guān)系稱為彈性元件的彈性特性，它可能是線性的,也可能是非線性的。3.2.1彈性特性線性非線性非線性一、剛度剛度是彈性敏感元件在外力作用下抵抗變形的能力一般用k表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為F——作用在彈性元件上的外力；x——彈性元件產(chǎn)生的變形。線性非線性非線性彈性特性曲線上某點(diǎn)A的剛度，可通過A點(diǎn)作曲線的切線A它代表了彈性元件在A點(diǎn)處的

3、剛度。如果彈性元件的彈性特性是線性的，則其的剛度是一個(gè)常數(shù)。線性非線性非線性A二、靈敏度靈敏度是剛度的倒數(shù)，一般用Sn表示:在傳感器中，有時(shí)需應(yīng)用幾個(gè)彈性元件串聯(lián)或并聯(lián)。當(dāng)彈性敏感元件并聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)的靈敏度為當(dāng)彈性敏感元件串聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)的靈敏度為3.2.2彈性滯后彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，彈性特性的加載曲線與卸載曲線不重合的現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象。彈性變形之差?x叫做彈性敏感元件的滯后誤差。這種滯后誤差將會(huì)給測(cè)量帶來誤差。曲線1、2所包圍的范圍稱為滯環(huán)。引起彈性滯后的原因，主要是由于彈性敏感元件在工作時(shí)材料分子問存在內(nèi)摩擦。3.2.3彈性后效彈性敏感元件所加荷載改變后，不

4、是立即完成相應(yīng)的變形，而是在一定時(shí)間間隔中逐漸完成變形的現(xiàn)象稱為彈性后效現(xiàn)象。由于彈性后效存在，彈性敏感元件不能迅速地隨作用力的改變而改變，使測(cè)量造成誤差。3.2.4固有振動(dòng)頻率彈性敏感元件的動(dòng)態(tài)特性和變換時(shí)的滯后現(xiàn)象，與它的固有振動(dòng)頻率有關(guān)，一般總希望它具有較高的固有頻率。固有頻率的計(jì)算比較復(fù)雜，實(shí)際中常常通過實(shí)驗(yàn)來確定。但也可用下式進(jìn)行估算：——彈性敏感元件剛度；——彈性敏感元件的等效振動(dòng)質(zhì)量。3.3彈性敏感元件的材料對(duì)材料的基本要求是：(1)彈性滯后和彈性后效要??；(2)彈性模數(shù)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

5、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彈性敏感元件的材料常用彈性材料：合金鋼、銅合金；35CrMnSiA,40Cr,50CrMnA,50CrVA3.4彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算3.4.1彈性圓柱(實(shí)心和空心)在力的作用下，它往往以應(yīng)變作為輸出量。在軸向承受作用力F(拉或壓)時(shí)，在與軸線成?角的截面上所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)镕——沿軸線方向上的作用力;E——材料的彈性模量；?——材料的泊松系數(shù)：A——圓柱的橫截面積；?——截面與軸線的夾角。1、在軸向(?＝0)產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)?、在橫向(?＝90o)產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)?、靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)?的

6、概念圓柱的應(yīng)變大小決定于圓柱的靈敏結(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)度無關(guān)。在軸線方向上的應(yīng)力、應(yīng)變最大。4、應(yīng)力、應(yīng)變的特點(diǎn)5、柱形彈性元件的固有頻率——柱形元件的長(zhǎng)度；——柱形元件的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量。6、彈性敏感元件單位長(zhǎng)度的質(zhì)量——柱形材料的密度7、結(jié)論為了提高應(yīng)變量，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)變量的提高來得小，總的衡量還是有利的。不降低固有頻率來提高應(yīng)變量必須減小彈性元件的截面積。不降低應(yīng)變值來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。柱形彈性敏感元件主要用于電阻應(yīng)變式拉力、

7、壓力傳感器中。3.4.2懸臂梁懸臂梁是一端固定一端自由的彈性敏感元件，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便．在較小力的測(cè)量中應(yīng)用較多。根據(jù)梁的截面形狀不同又可分為等截面梁和變截面(等強(qiáng)度粱)。一、等截面梁——距固定端為?處的應(yīng)變值——梁的長(zhǎng)度；——某一位置到固定端的距離；——梁的材料的彈性模量；A——梁的截面積h——梁的厚度。懸臂梁稱重傳感器型號(hào)：SQB1、靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)?2、懸臂梁自由端的撓度(位移)3、等截面懸臂梁的固有振動(dòng)頻率J——梁的橫截面的慣性矩，——梁的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量。4、結(jié)論等截面梁的厚度的減小可以使靈敏度提高，固有振動(dòng)頻率降低。材料的特性參數(shù)(E，?)對(duì)