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；
③膜片中心的位移与槽深成正比，双面开槽比单面开槽优越，方槽比圆槽优越；
④膜片硬中心部分应变量小、灵敏度低，故不宜输出应变量。
3、波纹膜片
波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜。在膜片中心留有一个光滑部分，方便同其他零件相连接，有时还在中心上焊接或熔接一块金属片，称膜片的硬心。当膜片两面受到不同压力作用时，膜片将弯向压力低的一面，而使中心产生一定的位移，从而将被测压力（或压差）变换为位移。为了增加膜片中心处的位移，可把两个膜片焊在一起制成膜盒。如果需要得到更大的位移，还可以把数个膜盒串接成膜盒组，它的位移为单个膜片的数倍。
弹性元件的固有频率是描述弹性元件的一个重要的特性参数，它在很大程度上决定着其动态特性的好坏。弹性元件的动态特性和变换被测参数时的滞后作用，在很大程度上与它的固有频率有关。一般地，为了减少动态误差，往往要提高固有频率。但固有频率会影响到元件的线性度和灵敏度，提高固有频率，会降低灵敏度，反之又不能满足测量动态参数的要求，因此在实际应用中，必须根据测量的对象和要求，加以综合考虑。
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。
加工工艺上，一般采取的措施有：动载和静载处理（用以提高弹性性能和获得稳定均匀的组织及减小零漂蠕变等），人工时效（用以消除残余机械应力，保持长期稳定性）。
2.5弹性敏感元件的结构形式
在传感器中，输入到弹性敏感元件的信号通常是力（力矩）或压力，而其它非电量首先变换为力或压力后再输入到弹性敏感元件；弹性敏感元件的输出是位移（线位移或角位移）或应变。因此可以按变换形式把弹性敏感元件分为“力-应变”和“力-位移”的变换（力的变换）；“压力-应变“和”压力-位移”的变换（压力的变换），“力矩角度”的变换等等。若按弹性敏感元件的变形来分，有拉压变形、弯曲变形、剪切变形等形式
1、弹性滞后和弹性后效要小；
2、弹性模量的温度系数要小；
3、线膨胀系数要小且稳定；
4、有良好的机械加工和热处理性能；
5、有些场合还要求有良好的耐腐蚀及绝缘性能。
我们主要是从选材和加工工艺上采取措施来达到上述要求。
选材上，一般用合金结构钢，例如中碳铬镍钼钢、中碳铬锰硅钢、弹簧钢等。还有使用碳钢、铜合金和铝合金的，特殊情况下选择弹性合金析出硬化型不锈钢。
（2）膜片式弹性元件
一般把抗弯曲度可以忽略的薄膜称为膜片，它是四周固定的圆形薄膜，大多用来测量不太大的压力（或压差），当膜片两侧受到不同的压力时，膜片将弯向压力较低的一面，而使其中心有一定的位移，从而将被测力变换为本身的位移。
1、平膜片
平膜片是一种较薄且厚度均匀的金属薄板，用来变换集中力和均布压力。从其固定方式分有周边固支和周边简支平膜片；从膜片本身的结构来分有中心带所示。
三、波纹管
波纹管（皱纹箱）是一种表面上有许多同心环状波形皱纹的薄壁圆管。波纹有单层和多层。大体可分为无缝和有缝两种，其结构形式和结构参数如图3-7和图3-8所示。
波纹管主要用来检测较小的集中作用力和流体的压力。一般用磷青铜或铍青铜等弹性比较好的合金材料来制造波纹管。波纹管作为敏感元件时，将其开口一段焊接在固定基座上，让被测流体通入管内，在流体压力（或轴向力）作用下，因其弹性使波纹管伸长（或压缩），导致自由端产生一定的位移，直到压力与波纹管的弹力相平衡时为止。金属波纹管在轴向上较容易变形，说明它的灵敏度较好，在波纹管的弹性范围内，自由端的伸缩变形与作用压力或轴向力是成正比的。
四、按变形分类
按弹性敏感元件的变形来分，有拉压变形、弯曲变形、剪切变形等形式。
4.1拉压变形的弹性敏感元件
拉压变形的弹性敏感元件在测力传感器中应用较多，当这类元件受到外力作用时会产生拉伸或压缩变形，这类元件主要有截面轴（杆）、空心圆柱和波纹管等。
一、等截面轴
等截面轴又称为柱式或杆式弹性敏感元件，其特点是结构简单，可承受很大的载荷（可达数万千牛以上）。根据轴的截面形状的不同可分为圆形截面轴、方形截面轴等，结构形式如图3-4所示。
一、弹性敏感元件的基本定义
定义：
物体受外力作用（加载）而改变原来的大小或形状的现象称为变形。
若外力去掉后（卸载）能完全恢复其原来的大小和形状，则这种变形被称为弹性变形，具有这类特性的物体称为弹性元件。
敏感元件（预变换器）：在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件，又称预变换器。如在传感器中各种类型的弹性元件常被称为敏感元件，并统称为弹性敏感元件。
优点：灵敏高，可测较低压力
缺点：迟滞误差较大，精度一般只有1.5级
4.2弯曲变形的弹性敏感元件
弯曲变形的弹性敏感元件的品种繁多，应用广泛，这类元件可分为梁式、膜片式、环式、弹簧管式等等。每种形式中又有多种结构，例如：在梁式中就有等截面悬臂梁、等强度悬臂梁、两端固定梁等；在膜片式中有平膜片、垂链式膜片、波纹膜片等；在环式中有圆环和扁环等。
二、弹性敏感元件的工作特性：[高等学校适用教材传感器技术]
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
弹性元件的弹性特性是指作用在弹性元件上的外力与其相应变形（应变、位移或转角）之间的关系。它可能是线性的，也可能是非线性的。一般用刚度和灵敏度来表征。
2.1.1刚度
5、ห้องสมุดไป่ตู้据检测方法分类：力学性敏感元件、电磁性敏感元件、光学性敏感元件、电化学性敏感元件、微生物性敏感元件
6、根据机制分类：结构型敏感元件、物性型敏感元件
7、根据作用形式分类：能动型敏感元件、受动型敏感元件
8、根据转换能量的供给方式分类：能量变换型敏感元件、能量控制型敏感元件
9、根据输出形式分类：模拟型敏感元件、数字型敏感元件
2.3.常用材料
2.3.1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。
2.3.2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
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
3.用途：小力测量。
扭转棒
1.结构：一端固定、一端自由的圆棒。
2.特性：当自由端承受力矩时，棒表面前产生沿圆周方向的剪切应力。
3.用途：测量力矩
圆形膜片和膜盒
1.结构：圆形平面或波汶膜片、圆形膜片盒。
2.特性：以挠度或应变为输出量。中心处挠度最大。（应力图）
3.用途：测量压力、压差。
波汶管
1.结构：一端封闭、筒壁有皱折的薄壁圆管。
2.4弹性敏感元件的误差
一般地，造成弹性敏感元件的误差的原因有以下两个方面：
1、由于材料的弹性特性的差异所引起的误差。
2、由弹性模量、几何尺寸随温度变化以及组成传感器壳体与弹性元件之间的温差所引起的误差。
在应用中为了使弹性元件始终具有良好的弹性特性，足够的精度和稳定性，以及在长时间使用中和温度变化时都应保持稳定的特性，对材料有如下要求：
利用物理现象的方法
利用化学现象的方法
利用生物学现象的方法
相应的敏感元件分别称为：物理敏元件、化学敏元件、生物敏元件。
由于从敏感元件获得的信号通常比较微弱，所以需要放大，进而为了消除噪声，还要进行模拟或数字信号处理。