3传感器弹性敏感元件与敏感材料.
传感器的敏感材料与敏感元件介绍
3.2.1 温度敏感陶瓷材料
❖ 陶瓷温度传感器是利用陶瓷材料的电阻、磁性、介电、半 导等物理性质随温度而变化的现象制成的，其中电阻随温度 变化显著的称为热敏电阻。对热敏电阻的基本特性要求包括 有：①电阻率；②温度系数的符号与大小；③稳定性。
❖ 按热敏电阻的温度特性可分为负温度系数热敏电阻 （NTC），正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度电阻 （CTR）3类。
❖ 根据被测参数的功能类型来划分敏感材料。例如温度敏 感材料、压力敏感材料、应变敏感材料、光照度敏感材 料等。
❖ 按照材料的结构类型进行分类。该分类方法包括半导体 敏感材料、陶瓷敏感材料、金属敏感材料、有机高分子 敏感材料、光纤敏感材料、磁性敏感词材料等等。
3.1 半导体敏感材料及元件
❖ 传感器对半导体敏感材料最基本要求是换能效率高，即可 将其他形式能量转换为电能，且易制成器件。
图3-8 TiO2含量对电阻的影响
❖ 3 钙钛矿型结构陶瓷湿度敏感材料
钙钛矿型结构的化学通式为ABO3 ，具有钙钛矿结构的纳米 级复合氧化物陶瓷材料的表面、界面性质优异，对环境湿气 度化非常敏感，是湿度敏感材料发展的新方向。 BaTiO3晶体是较早被人们认识的铁电材料之一。BaTiO3具 有很好的湿敏性质，随着BaTiO3颗粒尺寸的减小，湿敏特 性提高，响应加快。
积的空隙中。间隙较小的
是氧四面体中心，为A位置，
间隙较大的则是氧八面体
位置，为B位置。
图3-6 两种结构类型
❖ （2） 典型的尖晶石结构陶瓷湿度敏感材料 纯MgCr2O4为正尖晶石结构，是绝缘体，不宜用作感湿材料。 当加入适量杂质，如MgO、TiO2、SnO2等；或在高温煅 烧，瓷体中呈现过量的MgO时， MgCr2O4即形成半导体。 图3-7表示MgCr2O4中添加受主 杂质MgO时对电阻率的影响。
传感器技术练习题及答案
读书破万巻_下笔如有神1•传感器有哪些组成部分？在检测过程中各起什么作用？1•答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。
各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。
传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。
测量转换电路可将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量信号。
2•传感器有哪些分类方法？各有哪些传感器？2•答：按工作原理分有参量传感器、发电传感器、数字传感器和特殊传感器；按被测量性质分有机械量传感器、热工量传感器、成分量传感器、状态量传感器、探伤传感器等；按输出量形类分有模拟式、数字式和开关式；按传感器的结构分有直接式传感器、差分式传感器和补偿式传感器。
3.弹性敏感元件在传感器中起什么作用？3•答：弹性敏感元件在传感器技术中占有很重要的地位，是检测系统的基本元件，它能直接感受被测物理量（如力、位移、速度、压力等）的变化，进而将其转化为本身的应变或位移，然后再由各种不同形式的传感元件将这些量变换成电量。
4.弹性敏感元件有哪几种基本形式？各有什么用途和特点？4.答：弹性敏感元件形式上基本分成两大类，即将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。
变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。
实心等截面轴在力的作用下其位移很小，因此常用它的应变作为输出量。
它的主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点是灵敏度低。
空心圆柱体的灵敏度相对实心轴要高许多，在同样的截面积下，轴的直径可加大数倍，这样可提高轴的抗弯能力，但其过载能力相对弱，载荷较大时会产生较明显的桶形形变，使输出应变复杂而影响精度。
环状敏感元件一般为等截面圆环结构，圆环受力后容易变形，所以它的灵敏度较高，多用于测量较小的力，缺点是圆环加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。
传感器中的弹性敏感元件(特性)
引言
变形：物体在外力作用下，形状或尺寸的改变。 弹性变形 弹性元件：具有弹性变形特性的物体。 弹性敏感元件作用：把力、力矩或压力变换成相应的应变 或位移; 然后由各种转换元件，将被测力、力矩或压力转换成电量 。
1
h
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
2.应变
物体受外力作用时产生的相对变形
纵向应变εl
横向应变εr 切应变:切应力所产生的变形。
8
h
式中， x为力F使角点产生位移， L为固定端至力作用点之间的距离
3.虎克定律与弹性模量
σ=Eε τ=Gγ
式中，E为弹性模量或称杨氏模量，单位为N／m2； G为剪切模量或称刚性模量； τ为切应力。
9
h
11
h
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
12 f)等截面悬梁 g)等强度悬臂梁 h)变形的悬臂梁 i)扭h转轴
2.变换压力的弹性元件
图3-2 变换压力的弹性敏感元件
1a3)弹簧管
b)波纹管
c)等截面薄板
5.0 9.5～10.5
2.用于一般传感器
2.7
h
21
d)膜盒
e)薄壁圆简
f)薄壁半球
h
1、根本拉压 ：材料受力变形的最根本形式是拉压变形， 由下式计算： E
式中：ε为应变，即单位长度的变形，
l l
因此它是一个
无量纲，习惯上将10-6称为一个微应变；Δl 是受力后发
生的变形，l为受载变形长度；E为材料的弹性模量，单位
第3章++传感器中的弹性敏感元件
A
θ
线性 非线性
dF tan θ = dx
它代表了弹性元件在A点处的刚度. 它代表了弹性元件在 点处的刚度. 点处的刚度
θ0
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, 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. 一个常数.
dF tan θ 0 = = 常数 dx
非线性
第3章 传感器中的弹性敏感元件
第3章 传感器中的弹性敏感元件 章
3.1 引言 3.2 弹性敏感元件的基本特性 3.3 弹性敏感元件的材料 3.4 弹性敏感元件的特性参数计算
第3章 传感器中的弹性敏感元件
3.1 引言
一,变形 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象. 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象. 二,弹性变形 当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和 形状,那么这种变形称为弹性变形. 形状,那么这种变形称为弹性变形. 三,弹性元件 具有弹性变形特性的物体称为弹性元件. 具有弹性变形特性的物体称为弹性元件. 四,弹性元件类型 基本上可以分为两种类型: 基本上可以分为两种类型: 弹性敏感元件和弹性支承. 弹性敏感元件和弹性支承.
1 f = 2π
k
k ( Hz ) me
——弹性敏感元件刚度;
me ——弹性敏感元件的等效振动质量.
第3章 传感器中的弹性敏感元件
3.3 弹性敏感元件的材料
对材料的基本要求是: 对材料的基本要求是: (1)弹性滞后和弹性后效要小; 弹性滞后和弹性后效要小; 弹性滞后和弹性后效要小 (2)弹性模数的温度系数要小; 弹性模数的温度系数要小; 弹性模数的温度系数要小 (3)线膨胀系数要小且稳定; 线膨胀系数要小且稳定; 线膨胀系数要小且稳定 (4)弹性极限和强度极限要高; 弹性极限和强度极限要高; 弹性极限和强度极限要高 (5)具有良好的稳定性和耐腐蚀性; 具有良好的稳定性和耐腐蚀性; 具有良好的稳定性和耐腐蚀性 (6)具有良好的机械加工和热处理性能. 具有良好的机械加工和热处理性能. 具有良好的机械加工和热处理性能
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
传感器与检测技术基础
转换元件 它是将敏感元件输出的非电信号直接转换为电信号，或直接将被测非电信号转换为电信号(如应变式压力传感器的电阻应变片，它作为转换元件将弹性敏感元件的输出转换为电阻)。 转换电路 它能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、处理和传输的有用信号。
传感器的分类 传感器技术是一门知识密集型技术。
1.2 测量误差与准确度
3)恰为第n位单位数字的0.5，则第n位为偶数或零时就舍去，为奇数时则进1。 (2)参加中间运算的有效数字的处理 1)加法运算：运算结果的有效数字位数应与参与运算的各数中小数点后面的有效位数相同。 2)乘除运算：运算结果的有效数字位数，应与参与运算的各数中有效位数最小的相同。 3)乘方及开方运算：运算结果的有效数字位数比原数据多保留一位。 4)对数运算：取对数前后有效数字位数应相同。 2.测量数据的处理 常用的数据处理方法有列表法、图示法、最小二乘法线性拟合。
列表法 列表法是把被测量的数据列成表格，可以简明地表示有关物理量之间的对应关系，便于随时检查测量结果是否合理，及时发现和分析问题。
01
图示法 图示法是用图形或曲线表示物理量之间的关系，它能更直观地表示物理量之间的变化规律，如递增或递减。
02
最小二乘法线性拟合 图示法虽然能很直观方便地将测量中的各种物理量之间的关系、变化规律用图像表示出来，但是，在图像的绘制上往往会引起一些附加的误差。
1.1 传感器简述
1.1 传感器简述
1)超调量σ：传感器输出超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。 2)延滞时间td：阶跃响应达到稳态值的50%所需要的时间。 3)上升时间tr：传感器的输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所需的时间。 4)峰值时间tp：传感器从阶跃输入开始到输出值达到第一个峰值所需的时间。 5)响应时间ts：传感器从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需的时间。 (2)频率响应法 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。
弹性敏感元件 标准
垂链式膜片的结构及其简化模型，如图所示。其环形槽部分刚度系数减小，它相当于弹簧系统，硬中心（工作区）相当于刚性圆板。垂链式膜片在电容及压电式传感器中作为感压膜片，由于其工作区运动接近于平移运动，所以效果较平膜片优越。
垂链式膜片的特点可归纳为：
①膜片的位移，由于中心与边缘相差很小，硬中心有效宽度部分接近平移区；
1.结构：空心或实心圆柱体
2.特性：在外力作用下，以应变（相对形变）作为输出量。
3.用途：大力测量（0.1吨――数千吨）
悬臂梁
1.结构：一端固定、一端自由的条形弹性元件，分等截面和等强度（变截面）两种。
2.特性：以应变或位移作为输出量。
等截面悬臂梁沿长度方向应变不均匀，根部最大，梢部为0。
等强度悬臂梁（变截面）沿长度方向应变均匀。
（1）梁式弹性元件
一、等截面悬臂梁
二、等强度悬臂梁
由于等强度梁的显著特点，即在梁的各点处的应变相等，用它作为力传感器的弹性敏感元件是很方便的，它能在任意位置取出应变值，因此其应用十分广泛。
三、两端固定梁
四、单孔、双孔和S形梁
将梁做成各种形状，可以改变其应力分布并增强刚度，从而进一步完善梁的特性（提高动态特性，增加灵敏度），它们都是利用弯曲变形的弹性元件。
2.4.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。
2.5几种常见弹性敏感元件的特性：
弹性圆柱
②膜片的强度及位移线性度和平膜片相比有较大改善；
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。
敏感材料与传感器
敏感材料与传感器敏感材料与传感器在现代科技应用中扮演着至关重要的角色。
敏感材料是一类能够对外界环境变化做出灵敏反应的材料，而传感器则是一种能够将这些环境变化转化为可感知的信号输出的装置。
敏感材料与传感器的结合，不仅可以实现对各种物理量、化学量甚至生物量的测量，还可以应用于智能控制、环境监测、医疗诊断等领域。
本文将就敏感材料与传感器的相关知识进行探讨，以期对读者有所启发。
首先，敏感材料的种类繁多，包括了热敏材料、光敏材料、压敏材料、湿敏材料等。
这些材料都具有对外界环境变化敏感的特点，比如热敏材料对温度变化敏感，光敏材料对光照变化敏感，压敏材料对压力变化敏感，湿敏材料对湿度变化敏感。
这些敏感材料能够将外界的物理量、化学量或生物量转化为电信号或其他形式的信号输出，为传感器的工作提供了基础。
其次，传感器作为能够将环境变化转化为可感知信号输出的装置，其种类也非常丰富。
常见的传感器包括温度传感器、光敏传感器、压力传感器、湿度传感器等。
这些传感器能够将敏感材料感知到的环境变化转化为电信号、光信号或其他形式的信号输出，从而为人们提供了便利的环境监测、医疗诊断、工业控制等服务。
最后，敏感材料与传感器的结合应用非常广泛。
在工业领域，敏感材料与传感器常常被用于生产过程中的温度、压力、湿度等参数的监测与控制；在医疗领域，敏感材料与传感器可以用于医疗诊断、健康监测等方面；在环境监测领域，敏感材料与传感器可以用于大气污染监测、水质监测等。
可以说，敏感材料与传感器的结合已经深入到了人们的生活和工作中，为人们提供了便利和保障。
综上所述，敏感材料与传感器在现代科技应用中具有重要的地位，其种类繁多、应用广泛。
敏感材料能够对外界环境变化做出灵敏反应，而传感器能够将这些环境变化转化为可感知的信号输出。
敏感材料与传感器的结合已经深入到了人们的生活和工作中，为人们提供了便利和保障。
希望本文对读者有所启发，也希望敏感材料与传感器在未来能够有更广泛的应用。
传感器的敏感材料与敏感元件
传感器的敏感材料与敏感元件概述传感器是计量和控制系统中的重要组成部分。
它通过感知物理或化学量的变化并将其转化为电信号，从而实现对环境、材料或物体的检测和测量。
在传感器中，敏感材料和敏感元件起着关键作用。
敏感材料是指能够对外界环境变化产生敏感响应的材料，而敏感元件则是将敏感材料的响应转化为电信号的组件。
传感器常用的敏感材料1. 氧化物敏感材料氧化物敏感材料是传感器中常用的一类材料。
它们具有很高的化学稳定性和电学性能，并且对特定气体有很高的敏感性。
例如，二氧化锡（SnO2）被广泛应用于气体传感器中，可以检测到一氧化碳、二氧化硫等有害气体。
此外，氧化锌（ZnO）也常用于氨气传感器的制备。
2. 金属敏感材料金属敏感材料主要通过其电导率的变化来实现对环境参数的敏感检测。
常用的金属敏感材料包括铂、钼等。
例如，铂电阻温度传感器可以精确测量温度，广泛应用于温度控制系统中。
3. 半导体敏感材料半导体敏感材料是传感器中最常用的一类材料。
它们的电学特性可以被外界环境的变化所改变，从而实现对物理量或化学量的检测。
例如，硅、锗等材料常用于温度传感器的制备，而氮化镓（GaN）材料则用于制备氮化物传感器，可以检测温度、压力、光强等参数。
传感器常用的敏感元件1. 电容式敏感元件电容式敏感元件是一种常见的传感器元件。
它由一个固定电容和一个可变电容组成，通过测量电容的变化来检测物理量的变化。
例如，电容式湿度传感器通过测量湿度对电容的影响来判断环境中的湿度水平。
2. 电阻式敏感元件电阻式敏感元件主要是通过测量电阻值的变化来检测物理量的变化。
例如，热敏电阻温度传感器通过测量电阻值随温度的变化来实现温度的测量。
3. 压阻式敏感元件压阻式敏感元件是一种可以通过物体的压力或力的变化来改变电阻值的元件。
例如，应变片传感器通过测量应变片电阻值的变化来检测物体的应力或压力。
4. 光敏敏感元件光敏敏感元件是一种能够对光强变化产生敏感响应的元件。
例如，光敏电阻通过光照强度对电阻值的影响来测量光照强度。
敏感元器件及传感器专用材料研发制造方案(二)
敏感元器件及传感器专用材料研发制造方案一、实施背景随着物联网、人工智能、大数据等技术的快速发展，传感器作为实现这些技术的重要元件，市场需求不断增长。
为满足市场需求，提高传感器性能，降低成本，敏感元器件及传感器专用材料的研发制造成为行业发展的关键。
本方案旨在从产业结构改革的角度，阐述敏感元器件及传感器专用材料的研发制造方案。
二、工作原理敏感元器件是指能感受并响应外部物理、化学或生物刺激的元件，如光敏、热敏、压力敏等。
传感器则是由敏感元器件组成的装置，用于转换物理、化学或生物量到电信号。
专用材料则是用于制造这些敏感元器件和传感器的特定材料。
工作原理主要是利用材料的特性，如压电效应、热电效应、光电效应等，将外部刺激转化为电信号。
例如，压电材料在受到压力时会产生电信号，热电材料则在温度差异下产生电流。
三、实施计划步骤1.市场调研与需求分析：了解当前市场需求，分析潜在市场机会，明确产品定位和目标客户。
2.技术研究与开发：开展新材料研究，开发新的制造工艺，提高敏感元器件和传感器的性能和降低成本。
3.专用材料选型与优化：基于实验结果，选择合适的材料并进行优化，确保其性能和成本符合市场需求。
4.中试生产：在实验室成功后，进行小规模的生产试验，验证生产流程和产品质量。
5.产业化推广：根据中试结果，优化生产流程，进行大规模生产，并开展市场推广。
四、适用范围本方案适用于传感器、电子元器件制造、半导体等领域。
具体应用包括但不限于医疗设备、汽车电子、环境监测、物联网等领域。
五、创新要点1.新材料应用：引入新型材料，如纳米材料、生物相容材料等，提高传感器性能或开辟新的应用领域。
2.智能化制造：利用先进的自动化设备和智能化技术，提高生产效率，降低成本，并确保产品质量。
3.定制化设计：根据客户需求，提供定制化的敏感元器件和传感器设计服务，满足客户的特定需求。
4.产业链协同：与上下游企业紧密合作，共同开发新产品，优化产业链结构，提高整体竞争力。
常用的传感器与敏感元件
03 磁敏元件
霍尔元件
01
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁敏元件，能够检测磁场并输出相应 的电压信号。
02
它通常由半导体材料制成，具有体积小、精度高、线性度好等优点， 广泛应用于磁场测量、电流检测、电机控制等领域。
03
霍尔元件的输出电压与磁场强度成正比，可以通过外部电路进行放大 和调理，以实现精确的测量和控制。
压电式传感器
利用压电材料的压电 效应来检测物理量， 如加速度计。
热电式传感器
利用热电效应来检测 温度，如热敏电阻。
应用领域
工业自动化
用于生产过程中的各种参数检 测和控制。
环境监测
用于气象、水文、环保等领域 的数据采集。
医疗诊断
用于生理参数的监测和诊断。
交通运输
用于车辆、船舶、飞机等的安 全监测和控制系统。
热电偶
总结词
热电偶是一种将温度转换为电势差的传感器。
详细描述
热电偶由两种不同材料的导体组成，当两端存在温差时，会在导体之 间产生电动势，通过测量电动势可以得知温度差的大小。
应用领域
热电偶广泛应用于工业领域中的温度测量和控制，如炉温监测、管道 温度检测等。
优点
热电偶具有测量范围广、精度高、稳定性好等优点。
从而检测气体浓度。
优点
灵敏度高、响应速度快、稳定性好、寿命 长。
应用
广泛应用于可燃气体、有毒气体、有机蒸 汽等气体的检测。
缺点
对某些气体选择性较差，容易受到温度和 湿度的影响。
固态电解质气敏传感器
应用
主要用于氢气、一氧化碳等气体的检测。
原理
利用固态电解质材料的离子传导特 性，通过气体在电解质中的扩散和 吸附，改变其离子传导率，从而检
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：
敏感材料与传感器作业1-2答案
《敏感材料与传感器》作业（1、2次合并）1.解释：传感器、传感器技术、敏感材料、磁阻效应、双金属敏感元件、LB膜、SA膜、形变规、约瑟夫逊(Josephson)效应、色谱法、形状记忆现象、陶瓷材料、压电效应、热释电效应、空穴、有效质量、压阻效应（1）传感器：传感器是能够感受被测量并按照一定的规律将其转换成为可用信号（如电信号、光信号）的器件或装置，它通常有敏感元件、转换元件及相应的机械结构和电子线路所构成。
（2）传感器技术：传感器技术是一个汇聚物理、化学、材料、器件、机械、电子、生物工程等多类型的交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术。
（3）敏感材料：敏感材料是指对电、光、声、力、热、磁、气体分布等测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。
（4）磁阻效应：物质在磁场中电阻发生变化的现效应象。
（5）双金属敏感元件：是将热膨胀系数不同的两种金属片贴合而成的敏感元件。
（6）LB膜：将含有亲水基和疏水基的两性分子正在水面上形成的一个分子层厚度的膜（即单分子膜），以一定的方式累计到基板上的技术。
（7）SA膜：分子自组装膜是分子通过化学键相互作用自发吸附在固/液或气/固界面而形成的热力学稳定和能量最低的有序膜。
（8）形变规：形变规是利用物质因受力而使其电阻发生变化的敏感元件。
（9）约瑟夫逊效应：在两个导体间插入纳米量级的绝缘体，超导电流会从一块超导体无阻通过绝缘体到另外一块超导体。
此超导体/绝缘体/超导体结被称为约瑟夫逊结。
（10）色谱法：使混合物中各组分在两相间进行分配,其中一相是不动的(固定相),另一相(流动相)携带混合物流过此固定相,与固定相发生作用,在同一推动力下,不同组分在固定相中滞留的时间不同,依次从固定相中流出,又称色层法,层析法。
（11）形状记忆现象：具有一定形状（初始形状）的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后（另一形状），通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始的形状。
传感器技术与应用第3章 力传感器
力是物理基本量之一，因此各种动态、 静态力的大小的测量十分重要。
力的测量需要通过力传感器间接完成， 力传感器是将各种力学量转换为电信号的 器件。
F 力敏感 元件
转换 元件
显示 设备
图3-1 力传感器的测量示意图
弹性敏感元件把力或压力转换成了应 变或位移，然后再由传感器将应变或位移 转换成电信号。
3.3.1 石英晶体的压电效应 石英晶体成正六边形棱柱体。
a—石英晶体结构；b、c、d、e—压电效应示意图
图3-12 石英晶体结构及压电效应
晶体沿轴线切下的薄片称“晶体切 片”。
图3-13所示是垂直于电轴Ｘ切割的石 英片，在与Ｘ轴垂直的两面覆以金属。
沿Ｘ方向施加作用力Ｆx时，在与电轴 垂直的表面上产生电荷Ｑxx为
（4）薄壁圆筒 圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分之一。 薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒的半 径和壁厚，与圆筒长度无关。
图3-6 薄壁圆筒弹性敏感元件的结构
3.2 电阻应变变，以便进 一步电测。电阻应变片的典型结构如图3-7 所示。
图3-2 一些变换力的弹性敏感元件形状
2 .变换压力的弹性敏感元件 （1）弹簧管
图3-3 弹簧管的结构
（2）波纹管 波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管。
图3-4 波纹管的外形
（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。
图3-5 波纹膜片波纹的形状
uo
ui R1 R1 R2
ui R4 R3 R4
0
a-半桥式(单臂工作);b-半桥式(双臂工作);c-全桥式(双臂工 作);d-全桥式(四臂工作)
传感器中的弹性元件(共7张PPT)
在横向（ α =90°）产生的应力、应变为：
σ =-μ F/A ； ε= -μ F/AE
柱形弹性元件的固有频率f0为：
f0 =(0.249/l) √E/ρ 3.4.2悬臂梁
(3-6)
一、等截面梁
x
F
x处的应变为：
εx=6F (l-x)/EAh (3-7)
悬臂梁自由端的挠度（位移）为：
l
h
y=4l³F/E bh³ (3-8)
第三章 传感器中的弹性敏感元件
3.1引言
弹性敏感元件：把被测参数由一种物理状态（如：力、力矩、 压力）变换为另一种所需要的相应物理状态（如：：应变、 位移）
3.2弹性敏感元件的基本特性 3.2.1弹性特性
指作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形之间的关系， 可由刚度或灵敏度表示
一、刚度 弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力，即：
F h
l
在压力P的作用下，中心最大挠度为：
ymax=3(1-μ²)R²P/16Eh³ (3-12)
在半径为r处膜片的应变值：
εr=3(1-μ²) (R²-3r³)P/8Eh (3-13)
2F圆弹0 性形敏感平元件的膜基本片特性的固有振动频率：
εr=3(1-μ²) (R²-3r³)P/8Eh (3-13)
第一页，共7页。
k = dF /dx (3-1)
式中：F—作用在弹性元件上的外力；
x—弹性元件产生的变形；
二、灵敏度
F
Sn= dx / dF (3-2) 3.2.2弹性滞后
F
x
F
Δx
x
第二页，共7页。
3.2.3弹性后效
F
F0 3.2.4固有振动频率
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二、传感器敏感材料
⒌ 复合功能材料 材料复合技术发展较快。从双层到多层的 复合，它可以克服单层材料的某些弱点， 发挥单层材料的各自的长处。复合功能 材料包括金属系复合功能材料、陶瓷系 复合材料、高分子系复合功能材料以及 金属与高分子。复合功能材料的发展对 各种敏感器的研究与开发有着深远影响。
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二、传感器敏感材料
⒋ 高分子功能材料 与比较成熟的金属功能材料、半导体材料和敏感 陶瓷材料相比，高分子功能材料属后起之秀。 高分子功能材料能把大多数非电信号转变成电 信号。用高分子功能材料制造的光传感器、红 外线传感器、声波传感器、压力传感器、湿度 传感器、气体传感器、酶传感器等已实用化。 由于高分子材料易加工成柔韧的薄膜，所以薄 膜传感器得到了很快发展。当前，高分子功能 材料正向着高性能、多功能和新功能的方向发 展。
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问题
1、如何设计（传感器）装置测量重量？ 2、如何设计（传感器）装置测量火车的重 量？
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一传感器弹性敏感元件
1、变形
物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象 称为变形。
2、弹性变形
而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸 和形状，那么这种变形称为弹性变形。
⒉ 半导体材料 半导体材料最主要的特点是对温度、光、 电、磁、各种气体及压力等外界因素具 有敏感特性，是制造磁敏、热敏、光敏、 力敏、气敏、离子敏等传感器件的主要 材料。 石英晶体(Quartz)
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二、传感器敏感材料
⒊ 敏感陶瓷材料 敏感陶瓷的种类很多，应用亦广泛。按其特性， 一般包括热敏陶瓷、压敏陶瓷、湿敏陶瓷、气 敏陶瓷和光敏陶瓷等。此外，陶瓷智能性结构 材料，既具有传感功能，又有像介电元件那样 的执行功能。还有用某些陶瓷制造出具有感知、 执行（转换）和初步的信息处理功能的电子器 件。 锆钛酸铅（PbTiO3- PbZrO3 ）简称PZT ，是基于 压电效应的传感器，是最常见的压电陶瓷。
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一传感器弹性敏感元件
弹性元件基本上可以分为两种类型 弹性敏感元件和弹性支承
弹性敏感元件感受力、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，通过它把被测参数 由一种物理状态变换为另一种所需要的相应物理状态， 它直接起到测量的作用，故称为弹性敏感元件； 弹性支承常常作为传感器中活动部分的支承，起支承导 向作用，因而要求有内摩擦力小、弹性变形大等特点， 以便保证传感器的活动部分得到良好的运动精度。
dF k dx
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一弹性敏感元件基本特性
灵敏度
灵敏度是刚度的倒数。 灵敏度就是单位力产生变形的大小。
Sn
dx dF
Sn
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S
i 1
n
ni
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一弹性敏感元件基本特性
弹性滞后
弹性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称为弹性滞后现 象
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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。
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常用弹性材料
牌号 40Cr 35CrMnSiA 1Crl8Ni9 302(美)
QBe2
名称 合金结构钢 合金结构钢 不锈钢 不锈钢 铍青铜 铍青铜
QBe2.5
3、弹性元件
具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。
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一弹性敏感元件基本特性
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)之间的关系称为弹性元件的弹性特性。 可能是线性的，也可能是非线性的。 弹性特性由刚度或灵敏度来表示。
刚度
刚度是弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能 力，—般用k表示，其数学表达式为
第三章传感器敏感元件与材料
本章内容
弹性敏感元件 敏感元件基本特征 弹性敏感元件的材料 传感器材料
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一传感器弹性敏感元件
弹性元件在传感器技术中占有极其重要的 地位。它首先把力、力矩或压力变换成 相应的应变或位移，然后配合各种形式 的传感元件，将被测力、力矩或压力变 换成电量。
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二、传感器敏感材料
1. 金属功能材料 人们利用金属功能材料具有传导信息、储 存或记录、转化或变换能量的特性，设 计制造了多种传感器。量大面广的有磁 性材料、弹性材料、热电偶材料、热敏 电阻材料、应变电阻合金、形状记忆合 金等。
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二、传感器敏感材料ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ