弹性敏感元件
传感器中的弹性敏感元件特性
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3.4常用弹性元件的结构和性能
常用弹性元件主要有： 环形结构、梁、膜片式结构、波纹管和 波登管、谐振结构，它们的性能取决于 元件的结构和材料的力学特性。
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弹性敏感元件的类型 1.变换力的弹性敏感元件
图3-1 变换力的弹性敏感元件 a)实心轴 b)空心轴 c、d)等截面圆环 e)变形的圆环 2f02)1等/6/1截6 面悬梁 g)等强度悬臂梁 h)变形的悬臂梁 i)扭转轴 11
• 1)平膜 • 平膜适合与测量受均布载荷的情形，
• 圆形平膜的结构如图所示，
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2)带有硬中心的膜片
• 在传感器中，带有硬中心的膜片也有广泛 的应用，其特征是膜的中心很厚，可以认为是 刚体。常利用硬中心将均布压力转换为集中力 ，在小位移下有较高的应力，因而有更高的灵 敏度。
• 硬中心的薄膜受均布载荷
3.2弹性敏感元件的基本特性
• 弹性特性
作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形（应
变、位移或转角）之间的关系。可由刚度或度敏灵来表
示。 1、刚度
F
弹性敏感元件在外力作用 下抵抗变形的能力。
3 B
k limFdF x0 x dx
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弹性特性
x
1
2、灵敏度 灵敏度是刚度的倒数
Sn
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3、环形结构
称重式传感器中常用到如左图所示的圆 环形结构。
• 右图所示的扁环形结构也常用于测量力 传感器;
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4、膜片式结构
膜片式结构可用于测量与微小位移有关的量。虽然膜片 的结构非常简单，但应力分布却比较复杂，按膜的形状可 分为平膜片、带硬中心的膜片和波纹膜等，按受力方式可 分为集中力载荷和均布力载荷，按应力的性质可分为厚膜 和薄膜。膜受载后变形，中心的挠度ω0最大。设膜厚为h， 如果ω0/h<1/3，则可按厚膜计算，厚膜的变形以弯曲为主， 膜的拉压处于次要地位；如果ω0/h＞5，则按薄膜计算，认 为薄膜是柔软的，无弯曲刚度和弯曲应力，膜的变形以拉 压为主。
重庆大学《生物医学传感器原理与应用》第三章--敏感元件
第三章 敏感元件作用：把物理量转换为电量，是传感器中的主要元件。
必备两个基本功能：①敏感被测量（物理量、化学量）②对应产生输出量（电量）。
§3-1 变换力和压力的弹性敏感元件一、弹性敏感元件的作用非电量—→弹性元件—→应变量—→换能元件—→电量 弹性元件两种类型：①弹性敏感元件：感受力、压力、力矩等－→变换为元件本身的应变、位移等； ②弹性支承：起支承导向作用，不作为测量敏感元件。
二、弹性特性：作用在弹性元件上的外力与其相应变形间的关系。
1．刚度：弹性元件受外力作用下变形大小的量度。
dx dFk =F —作用外力 x —变形弹性特性曲线上某点切线水平线夹角的正切为该点处的刚度。
dx dF tg k ==θ2．灵敏度：单位力产生变形的大小，是刚度的倒数。
dF dx K =并联时，系统的灵敏度：∑==ni i K K 111灵敏度低，刚度大串联时，系统的灵敏度：1n ii K K ==∑ 灵敏度高，刚度小 三、弹性滞后和弹性后效1．弹性滞后——弹性特性曲线的加载曲线与去载曲线不重合现象。
滞后误差：弹性变形之差，直接产生测量误差。
2．弹性后效——当载荷改变后，在一定时间间隔逐渐完成变形的现象。
使弹性敏感元件的变形始终不能迅速跟随作用力的改变而改变，造成测量误差，尤其在动态测量中影响较大。
4．固有振动频率：——由振动质量和材料刚度综合表征的弹性元件特征。
决定弹性元件的动态特性和变换被测参数的滞后作用，希望0f （或0ω）高。
因em k =0ωem k f π210=， k — 弹簧刚度，m e — 等效振动质量所以 提高灵敏度K ，会使线性变差，固有振动频率0ω、0f ↓。
k K 1=Θ提高0ω、0f↑，灵敏度K 会降低，需综合考虑。
5．固有频率f 0与弹性元件的变形dx 以及材料性能的关系ρ⋅⋅=l S m ， S —截面积，l —长度，ρ—密度弹性元件相对变形：E l dx σδ== ，式中 E —弹性摸数，σ—应力，∴dxl E ⋅=σ()202111/11222221122SEdx dx k dF dx dx dx l f m Sl Sl l l dx E E dx σσσσππρπρπρπρσσππρρ⋅⋅=======最后可得：ρπσ⋅=⋅E dx f 20可知弹性元件dxf ⋅0的乘积对于特定材料是有一个极限值的，σ达到许用应力时， dx 大，f 0就只能小，反之亦然。
传感器中的弹性敏感元件汇总
R4 Eh3
P
16
3(1 2 )
3(1 2 )16 NhomakorabeaR4 Eh3
P
3. 波纹膜片的选型依据 ：
（1）膜片所受的力；（2）允许的迟滞误差；（3）所需要的特 性；（4）非线性度等。
4. 膜片有效面积的计算 ：
对于平膜片（经验公式）：
Ax
4
(R
r)2
对于波纹膜片（近似公式）：Ax
3
(R2
Rr
r2)
最大应力；②所用材料的金相组织结构与化学成分；③弹性元件
的加工及热处理等。(分子间存在内摩擦)
解决弹性元件滞后和后效的方法主要有：①选取较大的安全
系数；②合理地选定机构和元件的连接方式，以减少应力集中；
③采用特殊合金，满足测量的要求等。
4. 有效面积Ax：
弹性元件把作用于其上的压力（压差）转化为集中力的能 力 5. 温。度Δ特P性(kg--/-c-m---2T)-越---大-F(,弹kg性) 模量降Ax低E=FPE0[1力 +B面 力t(t-积t0)] 面积
式中：R—膜片的工作半径；r —膜片的硬芯半径。
（二）波纹管 结构：波纹管是一种具有环形波纹的圆柱形薄壁管。
2. 工作原理及特点：
（1）工作原理：在轴向力的作用下波纹管将伸长或缩短；在横 向力的作用下波纹管将在轴向平面内弯曲。
（2）特点：波纹管在很大的变形范围内与压力具有线性关系， 有效面积比较稳定。波纹管的滞后误差较大，刚度较小。
量的比值在变形增量趋近于零时的极限称为弹性元件的刚度。
F
'
lim
0
F
dF
d
M
'
lim
0
第三章 传感器中的弹性敏感元件
金属波纹膜片
锡青铜、铍青铜、不锈 钢金属波纹膜片：感受 压力从几百帕到几十兆 帕，材料厚度可从 0.03mm到1.6mm，直 径从十余毫米到250毫 米，其压力位移特性可 以是线性的、渐增的或 渐减的，精度可达千分 之五。
压力膜盒
铍青铜、锡青铜， 不锈钢压力膜盒： 其压力位移特性 可以是线性的， 渐增的或渐减的， 精度可达千分之 三。
灵敏度结构系数β
F
AE
应变大小决定于： •圆柱的灵敏结构系数 •横截面积 •材料性质 •圆柱所承受的力 与圆柱的长度无关。
弹性圆柱（实心、空心）
固有频率
EA
f0 0.159 2l ml
f0
0.249 l
E
结论：
为了提高应变量，应当选择弹性模量小的材料，此时 虽然相应的固有频率降低了，但固有频率降低的程度 比应变量的提高来得小，总的衡量还是有利的。
从弹性特性曲线求得 刚度的方法
做切线 找夹角 求正切
k tan dF
dx
如果弹性元件的弹性 特性是线性的，则其刚 度为常数
第二节 弹性敏感元件的基本特性
灵敏度
灵敏度就是单位力产生变形的大小。 灵敏度是刚度的倒数，一般用Sn表示。
Sn
dx dF
弹性元件并联时
1
Sn n 1
圆形膜片和膜盒（圆形平膜片）
中心扰度与压力关系
PR4
Eh4
16 y
31 2
h
2 23 9 21 1
y
3
h
非线性
小扰度：
ymax
3 1 2
16 E
传感器与检测技术：敏感元件
变换压力的 弹性敏感元 件
任务一 敏感元件 图5 薄壁圆筒 图6 薄壁半球
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弹性敏感元件的特性
一．绝对误差 二．弹性滞后 实际的弹性元器件在加/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，它会给测量带来误差。 三．弹性后效 当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性元器件变形不是立即完成相应
的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。 四．固有振荡频率 弹性敏感元器件都有自己的固有振荡频率f，它将影响传感器的动态特
NEW
敏感元件
任务一 敏感元件
2.灵敏度
灵敏度是指弹性敏感元件在单位力 作用下产生变形的大小，在弹性力 学中称为弹性元件的柔度。它是刚 度的倒数，用K表示。
弹性敏感元件的特性
k 一．dF刚度 dx刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度,一般用k
敏感元件
性。
任务一 敏感元件
（a）实心柱形 （b）空心圆柱形 （c） 等截面圆环形 （d）变截面圆环形 （e）等截面薄板（f）等截面悬臂梁（g ）等强度悬臂梁（h）扭转轴 变换力的弹性敏感元件
变换压力的弹 性敏感元件
任务一 敏感元件 图1 弹簧管 图2 波纹管
变换压力的弹性敏感元件
任务一 敏感元件 有以下3种常用形式 图3 波纹膜片 图4 膜盒
《弹性敏感元件》课件
温度传感器
温度传感器是一种能够感知温 度并将其转换为电信号的装置 ，广泛应用于温度检测、控制
和监测等领域。
温度传感器的工作原理是利 用热敏元件的电阻值随温度 变化而变化的特性，将温度
转换为电信号。
常见的温度传感器类型包括热 电阻式、热电偶式、集成温度 传感器等，根据不同的应用场
景选择合适的类型。
详细描述
制造弹性敏感元件需要选择合适的工艺和 方法，如精密铸造、机械加工、表面处理 等。这些工艺和方法的选择需要根据元件 的用途、性能要求以及生产规模等因素进 行综合考虑，以确保制造出的元件具有良 好的性能和可靠性。
性能测试与评估
总结词
进行全面的性能测试与评估
详细描述
制造完成后，需要对弹性敏感元件进行全面 的性能测试与评估，包括静态性能测试、动 态性能测试、环境适应性测试等。通过测试 与评估，可以了解元件的性能指标是否满足 设计要求，并针对测试结果进行优化和改进 ，以提高元件的性能和可靠性。
《弹性敏感元件》 PPT课件
目录
CONTENTS
• 弹性敏感元件概述 • 弹性敏感元件的材料 • 弹性敏感元件的设计与制造 • 弹性敏感元件的应用实例 • 弹性敏感元件的发展趋势与挑战 • 参考文献
01 弹性敏感元件概述
定义与工作原理
定义
弹性敏感元件是一种能够将压力、力 、重量等机械量转换成可测电信号的 传感器。
总结词
高硬度、耐高温、良好的绝缘性
详细描述
无机非金属材料如陶瓷、玻璃等，具有高硬度、耐高温和良好的绝缘性，适用于对硬度和绝缘性要求较高的弹性 敏感元件。
复合材料
总结词
结合多种材料的优点、高性能、高稳 定性
详细描述
第3章A传感器中的弹性敏感元件详解
刚度也可从弹性特性曲线求得，如下图 所示，曲线的斜率即为弹性元件这某一 点的刚度。 dF tan 代表了弹性元件在某点处的刚度。 dx 若弹性元件的弹性特性是线性的，如曲
线1所示，则其刚度为一常数。 b. 灵敏度(Sn)：弹性敏感元件的灵敏度为刚度的倒数。
圆形平膜片在均布载荷情况下应力分布如图所示。
在压力F作用下，中心最大挠度为：
y max
3 1 R 3 P 16 E h
2 2
（y max h）
P ——压力； R ——膜片的半径； h ——膜片的厚度； y ——膜片中心的最大挠度（位移）。
当
y max h 时,挠度与压力的关系具有下面的关系
F
A——圆柱的横截面积；——截面与轴线的夹角。
a. 在轴向(＝0)产生的应力、应变为
F F 2 2 (cos sin ) A A F F 2 2 (cos sin ) AE AE
b. 在横向(＝90o)产生的应力、应变为
F F 2 2 (cos sin ) A A F F 2 2 (cos sin ) AE AE
截面形状不同又可分为等截面梁和变截面(等强度粱)。
x
l
F
h
b
（1） 等截面梁 应变： x
6F (l x )
x
l
F
EAh
h
x ——距固定端为处的应变值
l ——梁的长度；
b
x ——某一位置到固定端的距离；
E ——梁的材料的弹性模量；
A——梁的截面积；h——梁的厚度。
第三章 传感器中的弹性敏感元件
E
第3章 传感器中的弹性敏感元件
3.4.3 扭转棒 在力矩测量中常常用到扭转棒，当棒端承受力矩
Mt 时，在棒表面产生的最大剪切应力为
max
Mt
/(
J r
)
M
J d 4
32
M t ——力矩； r ——扭转棒圆半径； J ——横截面对圆心的极惯性矩； d ——扭转棒直径。
最大剪应力与作用的力矩成正 比，而与其横截面的极惯性矩 和半径之比成反比。
波纹膜片的形状可以做成多种形状，通常采用的波纹 形状有正弦形、梯形、锯齿形波形，波纹高度0.7~1mm 范围内变化，膜片厚度通常在0.05~0.3mm的范围内变化。
第3章 传感器中的弹性敏感元件
3.4.5 弹簧管 一、弹簧管的类型
弹簧管又称波登管，它是弯曲成各种形状的空心管 子，大多数是C型弹簧管。
x0
F x
)
dF dx
F——作用在弹性元件上的外力；
x ——弹性元件产生的变形。
弹性特性曲线上某点A 的刚度，可通过A点作曲线 的切线
非线性
A
线性
tan dF
dx
非线性
0
它代表了弹性元件在A点处的刚度。
第3章 传感器中的弹性敏感元件
如果弹性元件的弹性特性是线性的，则其的刚度是 一个常数。
tan0
第3章 传感器中的弹性敏感元件
波纹管的轴向位移与轴向作用力之间关系可表示为
y F1 2
n
Eh0
A0
A1
2 A2
B0
h02 RH2
F ——轴向集中作用力；
n ——工作的波纹数；
hRRR0HB————— — — —波波波波纹纹纹纹管管管管内的的的半外内圆径半半弧处径径半的；；径壁。厚，即毛坏的厚度。
第三章传感器的弹性敏感元件
敏感元件可以把力、力矩或压力变换成相应的应变和
位移。 弹性元件分为：1.弹性敏感元件 不作讨论（主要结构上考虑） 2.弹性支承 其中 弹性支承是传感器活动部分的支承，起支承导向作用，
绪 论2
定义:
1.变形—物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状 称为变形. 2.弹性变形—如果在外力支撑后能完全恢复其原来 的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形, 3.弹性元件—具有弹性变形的物体称为弹性元件. 4.弹性敏感元件—能感受力、力矩、压力等被测值， 并变换成为弹性元件本身的应变位移（挠度）等， 也就是通过它把被测参数由一种物理状态变换成另 一种物理状态的元件.
不等半 径贴片
R2
r0
R4
R1
r
r0
R4
rt
R3
R3
同等条 件应变 较大。
2r02 3rr2 rt2
r
1 r0 0.707r0 2
亦可选择εr 1 =－εr 2
3.3
⒉ 筒式
弹性敏感元件的特性参数计算
P
D0 D
性能特点：可用于高压测量。 结构特点：圆柱盲孔，环向应变。
环向应变ε
p
L0
通常采用厚度 h 不变，宽度 b 改变 来满足： L 常数 b 其他讨论与等截面梁式荷重传感器相同。
3.3
弹性敏感元件的特性参数计算
3.3.3 圆形膜片
⒈ 薄板式(膜片式) 当流体的压强
作用在薄板上，薄板就会产生形变 (应变)，贴在另一侧的应变片随之形 p 变(应变). ⑴ 应变分析 对于半径为r0沿圆周固定的模片，片内任意半 径 r 处在压强 P 的作用下的应变(膜厚为h )为: 切向应变(与半径垂直)
F
面积A
什么是弹性敏感元件,什么是应力,及例题
起的电阻相对变化。 ⅆR ⅆl
ks = R ∕ l 大量实验证明，在应变极限内，金属材料电阻的相对变化与应变成正比。 ΔR R = ksε
什么是材料的弹性模量?
σ = Eε
σ是应力,E 是材料的弹性模量,ε 是应变。可以看出,应力 σ 正比于应变ε。也就是说,应力 σ 正 比于电阻的相对变化 ΔR/R,通过测量 ΔR/R 可以正比于应变ε。得到应力σ,这就是电阻应变片 的工作原理。
=
������������−������
������������ = ������ × ������������−������
(2) ������ = ������������������������ = ������. ������������������������������ × ������ × ������������������������ × ������������−������ = ������. ������������ × ������������������������
热应变系数小且稳定)。 (4) 具有良好的化学性能(抗氧化性和抗腐蚀性好)。
写出 5 种弹性敏见元件ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ料的名称。
常用的精密合金材料包括 3J53 铁镍恒弹合金、65Mn 锰弹簧钢、35CrMnSiA 合金结构钢、 1Cr18Ni9Ti 不锈钢和 QBe2 铍青铜等;常用的非金属材料包括半导体硅材料、石英晶体材料 和精密陶瓷材料等。
3.1 什么是弹性敏感元件?对弹性敏感元件材料的一般要求是什么?写
出 5 种弹性敏见元件材料的名称。
什么是弹性敏感元件?
具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。
对弹性敏感元件材料的一般要求是什么?
传感器的弹性敏感元件-第三章.
EA
f0 0.159 2l ml
l — 柱体元件的长度 ml — 柱体元件单位长度的质量
(3.7)
ml A
f0
0.249 l
E
(3.8)
ρ — 柱体元件的材料密度
圆柱形弹性敏感元件主要用于电阻应变式拉力 或压力传感器中。
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
2、悬臂梁 结构简单，灵敏度高，多用于较小力的测
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。
1k
f
(Hz )
2 me
(3.5)
k — 弹性敏感元件的刚度
与灵敏度相矛盾
me — 弹性敏感元件的等效振动质量
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
1、弹性圆柱(实心和空心) 结构简单，可承受很大载荷；但产生的位移
很小，所以往往以应变作为输出量。
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
6、波纹管
图3.12 波纹管
压力(或轴向力)的变化与伸缩量成比例， 所以波纹管可以把压力(或轴向力)变成位移。
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
轴向作用力下，与波纹管的轴向位移的关系：
1 2
n
yF
Eh0
A0
A1
2 A2
B0
h0 2 RH 2
(3.24)
F — 轴向集中作用力 n — 工作的波纹数
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。
1-4传感器中的弹性敏感元件资料
等截面轴（实心、空心）
特点：
结构简单 能承受很大载荷
用途：
电阻应变式拉力 或压力传感器
图 弹性圆柱
悬臂梁
一端固定一端自由的弹性敏 感元件，以应变或自由端的 位移作为输出量
特点
结构简单，
灵敏度高，
适于较小力的测量
根据梁的截面形状不同又可分为 等截面梁和变截面梁
压力膜盒
铍青铜、锡青铜， 不锈钢压力膜盒。
薄壁圆筒
弹性元件的壁厚一般都小于圆筒直径的1/20， 内腔与被测压力相通时，内壁均匀受压，薄 壁无弯曲变形，只是均匀的向外扩张。所以， 筒壁的每一单元将在轴线方向和圆周方向产 生拉伸应力。
电子秤
电子秤系统基本原理
悬臂梁称重传感器
扭转轴
常用于力矩测量
自由端收到转矩的作用时，扭转轴表面会 产生拉伸或压缩应变
弹簧管
又称波登管，它是弯曲成各种形状的空心管 子，大多数是C型弹簧管。
一端固定，另一端自由。在压力作用下，自 由端将产生位移。
弹簧管
弹簧管的一端连在管接头上，压力通过 管接头导入弹簧管的内腔，管的另一端 （自由端）封闭，并与传感器的其他部 分相连。在压力作用下，管子的截面改 变了形状，截面的短轴伸长，长轴缩短， 截面形状的变化导致弹簧管趋向伸直， 一直伸到与压力的作用相平衡为止（虚 线所示 ）
当膜片的两面受到不同的压力（或力） 的作用时，膜片向压力低的一面应变 移动，使其中心产生与压力差成一定 关系的位移。膜片的 形式主要有平膜 片、垂链式膜片和波纹膜片三种。平 膜片又可按周边是否固定支撑、中心 是否开孔以及膜片区域受力分布状况 的不同等分为多种形式，其中最常用 的 是由周边固定的等截面圆形薄板构 成的平膜片。垂链式膜片由靠近边缘 处开槽的圆板构成，其弹性应变主要 发生在边缘环形槽处，常用这种膜片 压缩应变管或柱来达 到测压目的。垂 链式膜片的硬中心部分在受压移动时 接近平移，因此用于电容式传感器或 压电式传感器效果较好。波纹膜片压 有环状同心波纹。为了增加膜片中心 的 位移可把两个膜片焊在一起制成膜 盒或进一步把数个膜盒串接成膜盒组。
第2章--电阻式传感器
第2章 电阻式传感器
应变片的粘贴 1. 检查通断。
第2章 电阻式传感器
2 .在选定贴应变片的位置划出十字线。
第2章 电阻式传感器
3 .再用细砂纸精磨（45度交叉纹）。
第2章 电阻式传感器
4 .用棉纱或脱脂棉花沾丙酮清洁结构表面， 擦几遍后，不可再用手接触表面。
第2章 电阻式传感器
图2.21 推杆式位移传感器
图2.22 电位器式压力传感器
第2章 电阻式传感器
第2章 电阻式传感器
2.3 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数，是目前应用最广泛的传感器之一。 2.3.1 电阻应变片的种类与结构 1．丝式应变片 2．箔式应变片 3．薄膜应变片 4．半导体应变片
图2.19 变骨架高度式非线性电位器
图2.20 对称变骨架高度式非线性电位器
第2章 电阻式传感器
2.2.3 电位器式传感器应用 1．位移传感器 电位器式位移传感器常用于测量几毫米到几十米的位移和几度到360°的角度。 电位器传感器结构简单，价格低廉，性能稳定，能承受恶劣环境条件，输出功率大，一般不需要对输出信号放大就可以直接驱动伺服元件和显示仪表。 2．电位器式压力传感器 电位器式压力传感器由弹簧管和电位器组成。 电位器被固定在壳体上，电刷与弹簧管的传动机构相连。当被测压力p变化时，弹簧管的自由端产生位移，带动指针偏转，同时带动电刷在线绕电位器上滑动，就能输出与被测压力成正比的电压信号。
2.2 电位式传感器
图2.14 直线位移电位式传感器示意图
图2.15 电位器式角度传感器
第2章 电阻式传感器
线绕电位器的阶梯特性如图2.16所示。 对理想阶梯特性的线绕电位器，在电刷行程内，电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数，称为电位器的电压分辨率，其公式为 线性电位器误差的大小可由下式计算： 由图2.18可见，无论m为何值，X=0和X=1，即电刷分别在起始位置和最终位置时，负载误差都为0；当X=1/2时，负载误差最大，且增大负载系数时，负载误差也随之增加。
03弹性敏感元件
1、什么叫传感器？有哪些作用？传感器的组 成有哪几部分？
2、传感器的分类？
3、传感器的基本特性有哪些？
4、误差按性质分有哪些？哪些是可以避免的？
第二讲 弹性敏感元件
要点： 应力与应变的概念
弹性敏感元件的特性
弹性敏感元件的类型 问题： 1、弹性敏感元件的作用是什么？ 2、常用的弹性敏感元件的类型有哪些？
dx k dF
x 2
3）、弹性滞后 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。 曲线1和2所包围的范围称为滞环。 弹性滞后现象会给测量带来误差。 O
1 F
4)、弹性后效
当载荷从某一数值变化到另一数值时， 弹性元件不是立即完成相应的变形，而是在 一定的时间间隔中逐渐完成变形，这一现象 称为弹性后效。如图所示，当作用在弹性敏 感元件上的力由零增加至F0时，弹性敏感元 x2 件先变形至x1，然后在载荷未改变的情况下 O F0 F 继续变形到x0为止。反之，如果力由减至零， 弹性后效现象 弹性敏感元件变形至x2，然后继续减小变形， 直到恢复原状为止。
2.1电阻式传感器
电阻式传感器是把被测的物理量转换成电阻 值的变化，再通过电阻分压电路或电阻电桥 电路转换成电压输出。 应变电阻、磁敏电阻、光敏电阻、热敏电阻、 热电阻、气敏电阻、湿敏电阻和电位器
1、应变式传感器
应变式传感器是根据应变原理，通过应变片和弹性元
件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行
传感器弹性元件的结构形式多种多样，根据被测量 大小不同，常见的有柱式、悬臂梁式、环式等等。以下 仅介绍几种变换力和变换压力的弹性敏感元件。
变换力的弹性敏感元件
6、弹性敏感元件的类型：
2.1 弹性敏感元件
2.1 弹性敏感元件
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，它会给测量带来误差。 产生弹性滞后的主要原因是：弹性敏感元 件在工作过程中分子间存在内摩擦，当比较两 种弹性材料时，应都用加载变形曲线或都用卸 载变形曲线，这样才有可比性。
图2..5波纹管的外形
2.1 弹性敏感元件
（3）波纹膜片和膜盒
平膜片在压力 或力作用下位移量 小，因而常把平膜 片加工制成具有环 状同心波纹的圆形 薄膜，这就是波纹 膜片。其波纹形状 有正弦形、梯形和 锯齿形。
图2.6 波纹膜片波纹的形状
2.1 弹性敏感元件
（4）薄壁圆筒
圆筒的壁厚一般小于圆 筒直径的1/20，当筒内腔受 流体压力时，筒壁均匀受力， 并均匀地向外扩张，所以在 筒壁的轴线方向产生拉伸力 和应变。
2.1 弹性敏感元件
（1）等截面圆柱式 等截面圆柱式弹性敏感元件，根据截面形状可分 为实心圆截面形状及空心圆截面形状等，如图2.3（a）、 图2.3（b）所示。它们结构简单，可承受较大的载荷， 便于加工。实心圆柱形的可测量大于10kN的力，而空 心圆柱形的只能测量l ~ 10kN的力。 （2）圆环式 圆环式弹性敏感元件比圆柱式输出的位移量大， 因而具有较高的灵敏度，适用于测量较小的力。但它 的工艺性较差，加工时不易得到较高的精度。由于圆 环式弹性敏感元件各变形部位应力不均匀，采用应变 片测力时，应将应变片贴在其应变最大的位置上。 圆 环式弹性敏感元件的形状如图2.3（c）、图2.3（d）所 示。
1. 刚度 弹性元件在外力作用下变形大小的 量度，一般用k表示
k dF dx
F——作用在弹性元件上的外力； X——弹性元件产生的变形。
2.1--弹性敏感元件PPT课件
2.1 弹性敏感元件
（3）波纹膜片和膜盒
图2.6 波纹膜片波纹的形状
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平膜片在压力 或力作用下位移量 小，因而常把平膜 片加工制成具有环 状同心波纹的圆形 薄膜，这就是波纹 膜片。其波纹形状 有正弦形、梯形和 锯齿形。
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2.1 弹性敏感元件
（4）薄壁圆筒
圆筒的壁厚一般小于圆 筒直径的1/20，当筒内腔受 流体压力时，筒壁均匀受力， 并均匀地向外扩张，所以在 筒壁的轴线方向产生拉伸力 和应变。
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2.1 弹性敏感元件
2. 变换压力的弹性敏 感元件
这类弹性敏感元件 常见的有弹簧管、波 纹管、波纹膜片、膜 盒和薄壁圆筒等。它 可以把流体产生的压 力变换成位移量输出。
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图2.4 弹簧管的结构
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2.1 弹性敏感元件
（2）波纹管
图2..5波纹管的外形
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波纹管的轴向在流体 压力作用下极易变形，有 较高的灵敏度。在形变允 许范围内，管内压力与波 纹管的伸缩力成正比，利 用这一特性，可以将压力 转换成位移量。
2.1.2 弹性敏感元件的结构形式 弹性敏感元件在形式上可分为两大类 （1）将力转换为应变或位移的变换力
的弹性敏感元件； （2）将压力转换为应变或位移的变换
压力的弹性敏感元件。
-
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2.1 弹性敏感元件
1. 变换力的弹性敏感元件
图2.3一些变换力的弹性敏感元件形状
（a）实心柱形 （b）空心圆柱形 （c）等截面圆环形 （d）变截面圆环形
量度，一般用k表示
k dF dx
F——作用在弹性元件上的外力； X——弹性元件产生的变形。
-
3
K dx dF
2.1 弹性敏感元件
弹性敏感元件
弹性敏感元件1.弹性元件的作用1.1弹性元件的定义1.2弹性元件的分类及作用在传感技术中将弹性元件分为：1.2.1弹性敏感元件感受力、压力、力矩等被测量，将其变换为元件本身的应变、位移等物理量。
在力及压力传感器中起预变换作用，其配合传感元件将力、压力等物理量转换为电量。
1.2.2弹性支承元件在传感器中作为活动零件的支撑，起支承和导向作用2.弹性敏感元件的工作特性对弹性敏感元件来说，输入量为力、压力、力矩等被测量，输出量为位移或应变量。
2.1弹性特性由刚度和灵敏度来表征2.1.1刚度k= dF/dX弹性敏感元件的刚度决定了传感器的固有频率，也就直接影响了传感器的动态特性2.1.2灵敏度K= dX/dF也即弹性敏感元件的灵敏度值是刚度的倒数。
由此要清楚的是如果传感器的灵敏度要高，则刚度要低，动态特性就越差；反之亦然。
2.1.3弹性敏感元件的串并联可通过弹性敏感元件的串联来提高灵敏度；或通过弹性敏感元件的并联来改善刚度。
2.2非弹性特性也即讨论弹性敏感元件的工作误差的主要来源2.2.1弹性滞后弹性敏感元件存在正向反向工作特性不一致的特性。
这是传感器迟滞误差的主要来源。
2.2.2弹性后效弹性敏感元件的变形相对于突然加上或减去的被测量来说存在着延迟。
这也是含有弹性敏感元件的传感器一般动态特性较差的原因。
2.2.3温度的影响弹性敏感元件存在线膨胀系数，而且其弹性模量也会随温度而变化。
因此当环境温度变化超过常温范围或要求较高时必须认真对待温度变化带来的误差。
2.2.4固有频率弹性敏感元件的线性度、灵敏度、固有频率之间始终是相互矛盾的。
提高灵敏度则线性度、固有频率变差，所以必须根据需要来衡量。
3.常用材料3.1材料选择的基本要求简述大原则就是根据传感器的工作环境、被测量的情况、各项技术指标要求等等来选择。
3.2材料常用金属材料类型:合金结构钢---工作稳定、精度较高；如：40Cr 35CrMnSiA工具钢---承载能力强；如：1Cr18Ni9铍青铜---灵敏度高；如：QBe24.常用元件测力元件：实心或空心圆柱体、等截面环、悬臂梁、轴元件等类型测压力元件：膜片、膜盒、弹簧管、波纹管、薄壁圆筒、薄壁半球等类型组合元件（元件的串并联）：平膜片与悬臂梁组合、波纹膜片与圆筒组合等等根据实际需要来进行。
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弹性敏感元件
1.弹性元件的作用
1.1弹性元件的定义
1.2弹性元件的分类及作用
在传感技术中将弹性元件分为：
1.2.1弹性敏感元件
感受力、压力、力矩等被测量，将其变换为元件本身的应变、位移等物理量。
在力及压力传感器中起预变换作用，其配合传感元件将力、压力等物理量转换为电量。
1.2.2弹性支承元件
在传感器中作为活动零件的支撑，起支承和导向作用
2.弹性敏感元件的工作特性
对弹性敏感元件来说，输入量为力、压力、力矩等被测量，输出量为位移或应变量。
2.1弹性特性
由刚度和灵敏度来表征
2.1.1刚度
k= dF/dX
弹性敏感元件的刚度决定了传感器的固有频率，也就直接影响了传感器的动态特性
2.1.2灵敏度
K= dX/dF
也即弹性敏感元件的灵敏度值是刚度的倒数。
由此要清楚的是如果传感器的灵敏度要高，则刚度要低，动态特性就越差；反之亦然。
2.1.3弹性敏感元件的串并联
可通过弹性敏感元件的串联来提高灵敏度；或通过弹性敏感元件的并联来改善刚度。
2.2非弹性特性
也即讨论弹性敏感元件的工作误差的主要来源
2.2.1弹性滞后
弹性敏感元件存在正向反向工作特性不一致的特性。
这是传感器迟滞误差的主要来源。
2.2.2弹性后效
弹性敏感元件的变形相对于突然加上或减去的被测量来说存在着延迟。
这也是含有弹性敏感元件的传感器一般动态特性较差的原因。
2.2.3温度的影响
弹性敏感元件存在线膨胀系数，而且其弹性模量也会随温度而变化。
因此当环境温度变化超过常温范围或要求较高时必须认真对待温度变化带来的误差。
2.2.4固有频率
弹性敏感元件的线性度、灵敏度、固有频率之间始终是相互矛盾的。
提高灵敏度则线性度、固有频率变差，所以必须根据需要来衡量。
3.常用材料
3.1材料选择的基本要求
简述大原则就是根据传感器的工作环境、被测量的情况、各项技术指标要求等等来选择。
3.2材料
常用金属材料类型:
合金结构钢---工作稳定、精度较高；如：40Cr 35CrMnSiA
工具钢---承载能力强；如：1Cr18Ni9
铍青铜---灵敏度高；如：QBe2
4.常用元件
测力元件：实心或空心圆柱体、等截面环、悬臂梁、轴元件等类型
测压力元件：膜片、膜盒、弹簧管、波纹管、薄壁圆筒、薄壁半球等类型
组合元件（元件的串并联）：平膜片与悬臂梁组合、波纹膜片与圆筒组合等等根据实际需要来进行。
目的是提升工作性能，也可起保护作用。