3传感器弹性敏感元件与敏感材料.
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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)
Chapter3 传感器中的弹性敏感元 件
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
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
1.1 传感器简述
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。
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
2、垂链式膜片
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；
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.
柱形弹性敏感元件的固有频率：
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。
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。
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2018/9/14
传感器技术
14
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。
2018/9/14
传感器技术
13
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。
2018/9/14
传感器技术
4
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？
2018/9/14
传感器技术
5
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)
2018/9/14
传感器技术
12
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。
2018/9/14
传感器技术
3
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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传感器技术
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
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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
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i 1
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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