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1、第三章 传感器中的弹性敏感元件现在学习的是第1页，共22页=k=lim x 1.2补充章节 传感器中的弹性敏感元件一、弹性敏感元件的基本特性、刚度弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形下所需要的力，用k表示，其数学表达式为F作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿(N)；x弹性元件所产生的变形，单位为毫米(mm).dFdx F x 0（1）现在学习的是第2页，共22页1.3OA补充章节 传感器中的弹性敏感元件图中弹性特性曲线1上A点的刚度，可通过A点作曲线1的切线，该切线与水平线夹角的正切就代表该弹性元件在A点处的刚度，即tan=dF/dx。若弹性元件的特性是线性的，则其刚度是
2、一个常数，即tan=F/x=常数，如图中的直线2所示。F123 0 x图1 刚度定义示意图现在学习的是第3页，共22页=1.4补充章节 传感器中的弹性敏感元件2、灵敏度刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S表示，其表达式为灵敏度就是在单位力作用下弹性元件产生变形的大小。dxdFS n1k（2）现在学习的是第4页，共22页1.5补充章节 传感器中的弹性敏感元件3、弹性滞后弹性敏感元件从加载到卸载的正反行程中变形曲线不重合，这种现象称为弹性滞后现象。弹性滞后与材料结构、载荷特性和大小、温度等一系列因素有关系。（迟滞？）4、弹性后效弹性敏感元件所加荷载改变后，不是立即完成相应
3、的变形，而是在一定时间间隔中逐步完成变形的现象。现在学习的是第5页，共22页1.6补充章节 传感器中的弹性敏感元件图2 弹性滞后与弹性后效性示意图现在学习的是第6页，共22页1.7补充章节 传感器中的弹性敏感元件5、固有振荡频率弹性敏感元件的滞后作用，与其固有振荡频率有关系，通常希望其具有较高的固有振荡频率。但实际设计时往往会存在与线性度、灵敏度相互矛盾的问题，这时应该根据检测对象和具体要求综合考虑。固有频率高，灵敏度低，线性度好；固有频率低，灵敏度高，线性度差；km c12 f =（3-3）现在学习的是第7页，共22页1.8补充章节 传感器中的弹性敏感元件二、弹性敏感元件的形式弹性敏感元件的
4、形式基本分为两大类：一是将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件；二是将压力（压强）变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。图3 压力型敏感元件示意图现在学习的是第8页，共22页1.9补充章节 传感器中的弹性敏感元件三、弹性敏感元件的材料与选择弹性滞后和弹性后效性要好；弹性模数的温度系数要小；线膨胀系数要小且稳定；弹性极限和强度要高；具有良好的稳定形和耐腐蚀性；具有良好的机械加工和热处理能力。现在学习的是第9页，共22页1.10量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在
5、考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。补充章节 传感器中的弹性敏感元件具体来讲，传感器的选择可以从以下几个方面考虑。1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型现在学习的是第10页，共22页1.11补充章节 传感器中的弹性敏感元件2灵敏度的选择。在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入干扰信号。现在学习的是第11页，共22页1.12补充章节 传感器中的弹性敏感元件3频率响应特性在允许频率范围内保持不失真的测量
6、条件，延迟时间越短越好。传感器的频率响应要高。在动态测量中，应根据信号的特点选择传感器，以免产生过大的误差。现在学习的是第12页，共22页1.13补充章节 传感器中的弹性敏感元件4线性范围A.线性范围越宽，则其量程越大。B.实际中，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作是线性的，这会给测量带来极大的方便。现在学习的是第13页，共22页1.14补充章节 传感器中的弹性敏感元件5稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取
7、适当的措施，减小环境的影响。现在学习的是第14页，共22页1.15补充章节 传感器中的弹性敏感元件6精度传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。如果测量的目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。为了提高测量精度，平时正常显示值要在满刻度的50%左右来选定测量范围(或刻度范围)。现在学习的是第15页，共22页1.16补充章节 传感器中的弹性敏感元件四、几种弹性敏感元件1、弹性圆柱图4 弹性圆柱示意图现在学习的是第16页，共22页1.17补充章节 传感器中的弹性敏感
8、元件在轴向承受作用力F时，在与轴线成角的截面上所产生的应力、应变为(cos 2 sin 2 )=(cos 2 sin 2 )=FAEFA（4）（5）其中E 材料的弹性模数；材料的泊松系数。现在学习的是第17页，共22页1.18补充章节 传感器中的弹性敏感元件引入灵敏度结构系数，则应力与应变的一般表达式为FAFAE=（6）（7）圆柱的应变大小取决于：-灵敏结构系数；-横截面积A；-作用力F；-材料性质E；与长度 L 无关。现在学习的是第18页，共22页1.19补充章节 传感器中的弹性敏感元件与实心圆柱相比，空心圆柱在同样面积下，直径可以增加，抗弯折能力大大提高。但容易变形。现在学习的是第19页，
9、共22页1.20补充章节 传感器中的弹性敏感元件弹性圆柱的固有频率：E0.249lf 0 =（8）FAE对比 =可得出如下结论1、选择弹性模量小的材料，可提高应变量，但降低了固有频率；2、减小面积可提高应变量，同时不改变固有频率；3、减小圆柱长度或选择密度低的材料，可提高固有频率，而不改变应变量。现在学习的是第20页，共22页1.21补充章节 传感器中的弹性敏感元件2、悬臂梁一端固定一端自由的弹性敏感元件。可分为等截面梁与等强度梁。F图5 悬臂梁示意图F现在学习的是第21页，共22页1.22补充章节 传感器中的弹性敏感元件等截面梁作用力与应变的关系为：6 F (l x)EAh x =x-距固定端的应变值；等截面梁的应变与位置有关；l -为梁的长度；h -为梁的厚度；b0 截面固定端宽度。等强度梁的应变与位置无关；等截面梁是固定频率；等强度梁是变频率；等强度梁作用力与应变的关系为：6 FlEb 0 h 2 x =（9）（10）现在学习的是第22页，共22页