应变式传感器及其应用课件.ppt

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1、1、传感器的概念2、传感器的组成回顾与复习第2章应变式传感器及其应用2.1弹性敏感元件2.2应变式电阻传感器原理及测量电路2.3应变式电阻传感器的使用注意事项2.4应变式电阻荷重传感器2.5应变式电阻加速度传感器力敏元件力2.1弹性敏感元件2.1.1弹性敏感元件的特性参数2.1.2弹性敏感元件的分类物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。若外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸或形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。根据弹性元件在传感器中的作用，可以分为两种类型：弹性敏感元件和弹

2、性支承。前者感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它将被测量变换为应变、位移等，也就是通过它把被测参数由一种物理状态转换为另一种所需要的物理状态，故称为弹性敏感元件。2.1.1弹性敏感元件的特性参数2.1.1弹性敏感元件的特性参数刚度:刚度是弹性敏感元件在外力作用下变形大小的量度，一般用表示，即式中，为作用在弹性敏感元件上的外力；为弹性敏感元件的变形量。灵敏度:灵敏度是指弹性敏感元件在单位力的作用下产生变形的大小，它为刚度的倒数，用S表示。弹性敏感元件：是一种在力的作用下产生变形，当力消失后能够恢复原来状态的原件。弹性敏

3、感材料的弹性特性作用在弹性敏感元件上的外力与由该外力所引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系称为弹性元件的弹性特性。主要特性如下：1.刚度刚度是弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力。2.灵敏度灵敏度就是弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小。它是刚度的倒数。3.弹性滞后实际的弹性元件在加、卸载的正、反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象，如图所示。4.弹性后效弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象称为弹性后效现象。5.固有振动频率弹性敏感元

4、件的动态特性与它的固有振动频率fo有很大的关系，固有振动频率通常由实验测得。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振动频率。对弹性敏感元件的基本要求：①具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能；②良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）；③弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定；④抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。2.1.2弹性敏感元件的分类1.变换力的弹性敏感元件所谓变换力的弹性敏感元件是指输入量为力F，输出量为应变或位移的弹性敏感元件。

5、变换力的弹性敏感元件大都采用等截面柱式、等截面薄板、悬臂梁及轴状等结构。1.等截面轴等截面轴的特点是加工方便，加工精度高，但灵敏度小，适用于载荷较大的场合。2.环状弹性元件环状弹性元件多做成等截面圆环，圆环受力后较易变形，因而它多用于测量较小的力。3.悬臂梁悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度高。它的输出可以是应变，也可以是挠度(位移)。由于它在相同力作用下的变形比等截面轴及圆环都大，所以多应用于较小力的测量。根据它的截面形状，又可以分为等截面悬臂梁和等强度悬臂梁。4.扭转轴在扭矩T的作用下，扭转

6、轴的表面将产生拉伸或压缩应变。2.变换压力的弹性敏感元件（流体压力）1）弹簧管弹簧管截面形状多为椭圆形或更复杂的形状，压力p通过弹簧管的固定端导入弹簧管的内腔，弹簧管的另一端（自由端）由盖子与传感器的传感元件相连。在压力作用下，弹簧管的截面力图变成圆形，截面的短轴力图伸长，长轴缩短。截面形状的改变导致弹簧管趋向伸直，一直到与压力的作用相平衡为止。由此可见，利用弹簧管可以把压力变换为位移。C形弹簧管的刚度较大，灵敏度较小，但过载能力较强，因此常作为测量较大压力的弹性敏感元件。弹簧管弹性敏感元件（C型管）2.波纹管波纹管在

7、压力作用下将产生伸长或缩短，所以利用波纹管可以把压力变换成位移，它的灵敏度比弹簧管高的多。在非电量测量中，波纹管的直径为12～160mm，被测压力范围约为102～106Pa。3.等截面薄板圆心附近以及膜片的边缘区域的应变均较大，但符号相反，这一特性在压阻传感器中得到应用。平膜片中心的位移与压力P之间成非线性关系。只有当位移量比薄板的厚度小得多时才能获得较小的非线性误差。4.波纹膜片和膜盒膜片的波纹形状可以有很多形式，图示出的是锯齿波纹，有时也采用正弦波纹。波纹的形状对膜片的输出特性有影响。在一定的压力作用下，正弦波纹膜

8、片给出的位移最大，但线性较差；锯齿波纹膜片给出的位移最小，但线性较好；梯形波纹膜片的特性介于上述两者之间，膜片厚度通常为0.05～0.5mm。为了进一步提高灵敏度，常把两个膜片焊接在一起，制成膜盒。它中心的位移量为单位膜片的两倍。由于膜盒本身是一个封闭的整体，所以密封性好，周边不需固定，给安装带来方便，它的应用比波纹膜片广泛的多。