第三章 传感器的弹性敏感元件设计
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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。