传感器的弹性敏感元件_第三章.pptVIP

第三章 传感器中的弹性敏感元件 §1 概述 变形： 物体在外力作用下而改变原来尺寸或 形状的现象。 弹性变形： 在外力作用下改变原来的尺寸或形状， 而当外力去掉后又能恢复其原来的尺寸和 形状的变形。 弹性元件： 具有弹性变形特性的物体。 §1 概述 弹性敏感元件： 利用弹性变形实现将被测量由一种物 理状态变换为另一种相应物理状态的元件。 作用：直接测量被测量 常用的弹性敏感元件有波纹管、弹性梁、 柱及筒、膜片、膜盒、弹簧管等。 §1 概述 在实际测量过程中，根据不同弹性敏感元件 的结构特点，可以利用其在外界载荷作用下引起 的位移、应变、应力的变化规律直接进行测量； 也可以利用其在外界载荷作用下引起的等效刚度、 等效质量或等效阻尼间接进行测量。 因此，对于传感器、仪器仪表的核心弹性敏 感元件而言，必须深入研究在被测量作用下，其 位移、应变、应力的变化规律，或研究其等效刚 度、等效质量、等效阻尼的变化规律。 §2 弹性敏感元件的基本特性 1、定 义 2、弹性特性 3、弹性滞后 4、弹性后效和蠕变 5、固有振动频率 §2 弹性敏感元件的基本特性 1、定义 作用于弹性敏感元件上的输入量(力、 力矩或压力)与由它引起的输出量(位移、应变 或转角)之间的关系。 2、弹性特性 (1)刚度 单位输出量所需要的输入量即为刚度。 一般用k来表示。 F—— 作用在弹性敏感元件上的输入量 x—— 弹性敏感元件产生的输出量 (2)灵敏度(柔度) 单位输入量引起的输出量。是刚度的倒数 一般用Sn来表示。 F—— 作用在弹性敏感元件上的输入量 x—— 弹性敏感元件产生的输出量 弹性敏感元件并联： 弹性敏感元件串联： i — 串联或并联弹性敏感元件的数目 — 第i个弹性敏感元件的灵敏度 3、弹性滞后 弹性敏感元件在弹性变形范围内，弹性特性 的加载曲线与卸载曲线不重合的现象。 弹性滞后是某些传感器产生迟滞误差的 主要原因。 弹性滞后产生的原因： 弹性敏感元件工作时其材料分子间存在 内摩擦。 4、弹性后效和蠕变 弹性敏感元件在阶跃载荷作用下，所产生 的形变不是立刻完成，而是需要经过一段时间 间隔逐渐完成变形的现象成为弹性后效。 弹性蠕变 当外力保持恒值时，弹性敏感元件在一个 较长时间范围内仍然缓慢变形的现象。 弹性后效是引起某些传感器测量过程中产 生重复性误差的主要原因； 弹性蠕变是影响某些传感器测量过程稳定 性的主要原因之一。 5、固有振动频率 固有频率决定其动态特性，一般来说，固 有频率越高，其动态特性越好。 k — 弹性敏感元件的刚度 me — 弹性敏感元件的等效振动质量 1、弹性圆柱(实心和空心) 轴向承受作用力时，在与轴向成α角的截 面上所产生的应力、应变为： α=0时， α=90°时, 柱形弹性敏感元件的固有频率： 2、悬臂梁 (1)等截面梁 (2)变截面梁(等强度梁) 等强度梁各点的应变值： 自由端的挠度： 固有振动频率： 3、扭转棒 如何求正应力、正应变？选择与轴线成β 角的柱面。 根据已知应力状况的点来求 在β=π/4处，正应力最大，正应变最大 β=3π/4处，正应力最小，正应变最小 4、圆形膜片 (1)圆形平膜片 压力P作用下，中心最大挠度为： 该式使用条件： ，即小挠度情况下， 此时ymax和P具有线性关系。 一般取μ=0.3时，通用公式简化为： 当 时，挠度与压力的关系具有非线性， 为： 这是周边固支的圆形平膜片中心挠度的通用公式。 为了减小位移y与压力P之间的非线性，位移量 应当比膜片的厚度要小的多。 在半径r处膜片的应变值为： 圆形平膜片的固有振动频率： (2)圆形波纹膜片 (2)圆形波纹膜片 5、弹簧管 椭圆形截面的薄壁弹簧管(管壁厚与短半轴 之比不超过0.8) ，其位移与压力之间的关