彈性敏感元件

關(guān)于彈性敏感元件第一節(jié)引言變形物體在外力作用下而改變尺寸或形狀的現(xiàn)象彈性變形當(dāng)外力去掉后能完全恢復(fù)原來的尺寸和形狀的變形彈性元件具有彈性變形特性的物體第2頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)引言彈性元件把力、力矩或壓力變換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移，再由轉(zhuǎn)換元件變換成電量彈性敏感元件感受力、力矩、壓力等被測參數(shù)，并通過它將被測量變換為應(yīng)變、位移等，它直接起到測量的作用彈性支承作為傳感器中活動部分的支承，起支承導(dǎo)向作用。第3頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)彈性敏感元件的基本特性2.1彈性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。彈性特性可用剛度或靈敏度來表示。彈性特性可能是線性的，也可能是非線性的彈性特性第4頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)彈性敏感元件的基本特性剛度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。第5頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)彈性敏感元件的基本特性從彈性特性曲線求得剛度的方法做切線找夾角求正切如果彈性元件的彈性特性是線性的，則其剛度為常數(shù)第6頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)彈性敏感元件的基本特性靈敏度靈敏度就是單位力產(chǎn)生變形的大小。靈敏度是剛度的倒數(shù)，一般用Sn表示。第7頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)彈性敏感元件的基本特性關(guān)于剛度和靈敏度的理解剛度和靈敏度都是描述彈性特性的指標(biāo)，兩者互為倒數(shù)剛度與靈敏度是從不同的側(cè)面對同一特性的描述剛度描述的是抵抗變形的能力靈敏度描述的是變形的能力在傳感器應(yīng)用中，彈性元件的不同聯(lián)結(jié)方法對總的靈敏度影響不同第8頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)彈性敏感元件的基本特性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)象彈性變形之差Δx叫做彈性敏感元件的滯后誤差曲線1和曲線2所包圍的范圍稱為滯環(huán)第9頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)彈性敏感元件的基本特性關(guān)于彈性滯后的理解彈性滯后與傳感器的遲滯特性有關(guān)彈性敏感元件的滯后誤差體現(xiàn)的是在加載與卸載過程中同一個作用力下不同的彈性變形的情況作為敏感元件的變形的不同將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換結(jié)果的不同，最終將體現(xiàn)在傳感器的遲滯特性上引起彈性滯后的原因，主要是由于彈性敏感元件在工作時其材料分子間存在內(nèi)摩擦第10頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)彈性敏感元件的基本特性2.3彈性后效彈性敏感元件所加載荷改變后，不是立即完成相應(yīng)的變形，而是在一定時間間隔中逐漸完成變形的現(xiàn)象彈性后效體現(xiàn)的是時間因素的影響，對傳感器的動態(tài)特性影響尤其明顯第11頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)彈性敏感元件的基本特性彈性滯后和后效在本質(zhì)上是同一類型的缺點(diǎn)，它們與材料的結(jié)構(gòu)、載荷特性以及溫度等一系列的因素有關(guān)，在應(yīng)用中，應(yīng)該合理的選擇材料，設(shè)計(jì)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和加工方法，從而最大程度地減小由彈性滯后和彈性后效現(xiàn)象產(chǎn)生的誤差。第12頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)彈性敏感元件的基本特性3.2.4固有振動頻率彈性敏感元件的動態(tài)特性和變換時的滯后現(xiàn)象，與它的固有振動頻率有關(guān)。固有振動頻率通常通過實(shí)驗(yàn)來確定。固有振動頻率也可用下式進(jìn)行估算第13頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)彈性敏感元件的基本特性關(guān)于固有振動頻率的理解彈性元件的固有振動頻率是描述彈性元件內(nèi)在特性的重要參數(shù)，它體現(xiàn)的是彈性元件固有的特性固有振動頻率很大程度上決定彈性元件動態(tài)特性的好壞。彈性元件的動態(tài)特性和變換被測參數(shù)時的滯后作用，很大程度上與固有振動頻率有關(guān)可以通過提高固有振動頻率來減少動態(tài)誤差，但固有頻率會影響到元件的線性度和靈敏度，實(shí)際應(yīng)用中必須根據(jù)測量的對象和要求，綜合考慮第14頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)彈性敏感元件的材料彈性敏感元件對材料的基本要求是：彈性滯后和彈性后效要??；彈性模數(shù)的溫度系數(shù)要?。痪€膨脹系數(shù)要小且穩(wěn)定；彈性極限和強(qiáng)度極限要高；具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性；具有良好的機(jī)械加工和熱處理性能。第15頁,共39頁，2024年2月25日，星期天彈性圓柱（實(shí)心、空心）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單能承受很大載荷用途：電阻應(yīng)變式拉力或壓力傳感器第16頁,共39頁，2024年2月25日，星期天彈性圓柱（實(shí)心、空心）應(yīng)力、應(yīng)變公式靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)β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)圓柱所承受的力與圓柱的長度無關(guān)。第17頁,共39頁，2024年2月25日，星期天彈性圓柱（實(shí)心、空心）固有頻率結(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，而不降低應(yīng)變值來提高固有頻率必須減短圓柱的長度或選擇密度低的材料。第18頁,共39頁，2024年2月25日，星期天懸臂梁（等截面）一端固定一端自由的彈性敏感元件特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，適于較小力的測量第19頁,共39頁，2024年2月25日，星期天懸臂梁（等截面）應(yīng)變關(guān)系擾度固有頻率應(yīng)變靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)第20頁,共39頁，2024年2月25日，星期天懸臂梁（變截面）自由端加上作用力時，在梁上各處產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等。靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)與長度方向的坐標(biāo)無關(guān)，都等于6。各點(diǎn)的應(yīng)變值：自由端的撓度：固有振動頻率：第21頁,共39頁，2024年2月25日，星期天扭轉(zhuǎn)棒常用于力矩測量最大剪應(yīng)力最大剪應(yīng)力與作用的力矩成正比，而與其橫截面的極慣性矩和半徑之比成反比。單位長度的扭轉(zhuǎn)角：G：剪切彈性系數(shù)GJ：抗扭剛度第22頁,共39頁，2024年2月25日，星期天圓形膜片和膜盒（圓形平膜片）中心擾度與壓力關(guān)系小擾度：u<0.3時：應(yīng)變固有頻率h：膜片厚度非線性近似線性第23頁,共39頁，2024年2月25日，星期天圓形膜片和膜盒（波紋膜片）波紋形狀：鋸齒形、梯形、正弦形波紋高度：0.7~1mm膜片厚度：0.05~0.3mm第24頁,共39頁，2024年2月25日，星期天彈簧管又稱波登管，它是彎曲成各種形狀的空心管子，大多數(shù)是C型彈簧管。一端固定，另一端自由。在壓力作用下，自由端將產(chǎn)生位移。在流體壓力測量中作為壓力敏感元件，將壓力變換為彈簧管端部的位移第25頁,共39頁，2024年2月25日，星期天彈簧管工作原理：位移與壓力間的關(guān)系極限壓力第26頁,共39頁，2024年2月25日，星期天圓形膜片

當(dāng)膜片的兩面受到不同的壓力（或力）的作用時，膜片向壓力低的一面應(yīng)變移動，使其中心產(chǎn)生與壓力差成一定關(guān)系的位移。膜片的形式主要有平膜片、垂鏈?zhǔn)侥て筒y膜片三種。平膜片又可按周邊是否固定支撐、中心是否開孔以及膜片區(qū)域受力分布狀況的不同等分為多種形式，其中最常用的是由周邊固定的等截面圓形薄板構(gòu)成的平膜片。垂鏈?zhǔn)侥て煽拷吘壧庨_槽的圓板構(gòu)成，其彈性應(yīng)變主要發(fā)生在邊緣環(huán)形槽處，常用這種膜片壓縮應(yīng)變管或柱來達(dá)到測壓目的。垂鏈?zhǔn)侥て挠仓行牟糠衷谑軌阂苿訒r接近平移，因此用于電容式傳感器或壓電式傳感器效果較好。波紋膜片壓有環(huán)狀同心波紋。為了增加膜片中心的位移可把兩個膜片焊在一起制成膜盒或進(jìn)一步把數(shù)個膜盒串接成膜盒組。第27頁,共39頁，2024年2月25日，星期天金屬波紋膜片

錫青銅、鈹青銅、不銹鋼金屬波紋膜片：感受壓力從幾百帕到幾十兆帕，材料厚度可從0.03mm到1.6mm，直徑從十余毫米到250毫米，其壓力位移特性可以是線性的、漸增的或漸減的，精度可達(dá)千分之五。

第28頁,共39頁，2024年2月25日，星期天壓力膜盒

鈹青銅、錫青銅，不銹鋼壓力膜盒：其壓力位移特性可以是線性的，漸增的或漸減的，精度可達(dá)千分之三。第29頁,共39頁，2024年2月25日，星期天彈簧管壓力表第30頁,共39頁，2024年2月25日，星期天彈簧管壓力表

彈簧管壓力表,又稱為波登管壓力表。壓力表中的彈簧的自由端是封閉的，它通過拉桿帶動扇形齒輪轉(zhuǎn)動。測壓時，彈簧管在被測壓力作用下產(chǎn)生變形，因而彈簧管自由端產(chǎn)生位移，位移量與被測壓力的大小成正比，使指針偏轉(zhuǎn)，在度盤上指示出壓力值。如果表殼內(nèi)通有大氣，壓力表測出的壓力為正壓或負(fù)壓;如果將表殼密封并抽真空,壓力表測出的壓力就是絕對壓力。彈簧管壓力表帶有隔離裝置時，尚可測量溫度較高或腐蝕性、粘稠狀、易結(jié)晶和粉塵狀介質(zhì)的壓力。在精確度較高（如0.25級以上）的彈性式壓力測量儀表中，彈性元件多用恒彈性合金以至石英玻璃制成。傳動機(jī)構(gòu)的軸孔中鑲嵌寶石軸承或滾動軸承。度盤標(biāo)尺長，有的還能進(jìn)行數(shù)字顯示。第31頁,共39頁，2024年2月25日，星期天波紋管波紋管是一種表面上有許多同心環(huán)狀形波形皺紋的薄壁圓管波紋管的自由端位移Y與作用于波紋管的壓力P的關(guān)系為：波紋管的靈敏度，與工作波紋數(shù)目成正比，與壁厚度的三次方成反比，與內(nèi)、外徑比的平方成正比。第32頁,共39頁，2024年2月25日，星期天薄壁圓筒應(yīng)變關(guān)系：靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)：固有頻率：第33頁,共39頁，2024年2月25日，星期天波紋管柔性聯(lián)軸器

不銹鋼波紋管柔性連軸器：是以彈性元件波紋管為核心的聯(lián)軸器,用在精密儀器和自動控制裝置中,在傳遞扭矩的同時,消除橫向、角向位移或安裝誤差帶來的不利影響,結(jié)構(gòu)精巧,安裝簡便,在精密傳動方面,有著不可替代的作用。

第34頁,共39頁，2024年2月25日，星期天環(huán)行金屬波紋管

材質(zhì)：黃銅、錫青銅、鈹青銅、彈性合金、不銹鋼、高溫合金。其中黃銅系