1、第2章 结构型传感器掌握结构型传感器的基本特掌握结构型传感器的基本特 性和工作原理、典型测量电路性和工作原理、典型测量电路了解其典型应用了解其典型应用河南工业职业技术学院电气工程系结构型传感器结构型传感器第一讲第一讲 传感器中的弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件 能将力、力矩、压力、温度等物理量变换成能将力、力矩、压力、温度等物理量变换成位移、转角或应变的弹性元件，称为弹性敏感元位移、转角或应变的弹性元件，称为弹性敏感元件。结构型传感器的组成都有弹性敏感元件。件。结构型传感器的组成都有弹性敏感元件。弹性敏感元件：弹性敏感元件：弹簧管弹簧管弹性敏感元件v一、一、应力与应变应力与应变v二、二、弹性
2、敏感元件的特性弹性敏感元件的特性v三、三、弹性敏感元件的类弹性敏感元件的类型型一、应力与应变：一、应力与应变：l.l.应力应力 截面积为截面积为S S的物体受到外力的物体受到外力F F的作用并处于平的作用并处于平衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为应衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为应力，记作力，记作，其值为，其值为SF应变种类示意图应变种类示意图a)正向应力：正向应力：物体两端受拉力或压力物体两端受拉力或压力作用时，物体处于拉伸或压缩状态。作用时，物体处于拉伸或压缩状态。拉为正，压为负；拉为正，压为负；b)切向应力：切向应力：物体一端固定，另一端物体一端固定，另一端受平行于端面的力
3、作用时，内部任意受平行于端面的力作用时，内部任意截面上产生大小相等、方向相反的应截面上产生大小相等、方向相反的应力；图示方向的应力为正值，反之为力；图示方向的应力为正值，反之为负值。负值。2.2.应变应变 应变是物体受外力作用时产生的相对变形。设物体应变是物体受外力作用时产生的相对变形。设物体原长度为原长度为 ，受力后产生，受力后产生 的变形，若的变形，若 00，则表示物，则表示物体被拉伸；体被拉伸；00，则表示物体被压缩。其应变，则表示物体被压缩。其应变定义为定义为llllll纵向应变纵向应变物体纵向发生变形时，其横向发生相反变形，称为横向物体纵向发生变形时，其横向发生相反变形，称为横向应变
4、。为了区别，将前者记作应变。为了区别，将前者记作 ，后者记作，后者记作 。lrlrrr横向应变横向应变3.虎克定律与弹性模量虎克定律与弹性模量虎克定律：虎克定律：当应力未超过某一限值时，应力与应变成正比。当应力未超过某一限值时，应力与应变成正比。GEE为弹性模量或称杨氏模量，单位为为弹性模量或称杨氏模量，单位为Nm2；G为剪切模量或称刚性模量。为剪切模量或称刚性模量。二、弹性敏感元件的特性：二、弹性敏感元件的特性：特性：说明弹性元件受力特性：说明弹性元件受力(输入输入)与其相应位移与其相应位移(输出输出)间的关系。间的关系。1、刚度、刚度 刚度是弹性元件在外力刚度是弹性元件在外力作用下变形大小
5、的量度，即作用下变形大小的量度，即单位变形需要力的大小，一单位变形需要力的大小，一般用般用K K来表示。设来表示。设F F为作用在为作用在弹性元件上的外力，弹性元件上的外力，x x为弹为弹性元件产生的变形，则有性元件产生的变形，则有 dxdFK 弹性元件特性曲线tandxdFK2、灵敏度、灵敏度 灵敏度是弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的灵敏度是弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，即为刚度的倒数大小，即为刚度的倒数 ，用，用k k表示。表示。dFdxk 3、弹性滞后、弹性滞后 弹性元件在加、卸载的正反行弹性元件在加、卸载的正反行程中变形曲线是不重合的，这种现程中变形曲线是不重合的，这种
6、现象称为弹性滞后现象，如图所示。象称为弹性滞后现象，如图所示。曲线曲线1 1和和2 2所包围的范围称为滞环。所包围的范围称为滞环。弹性滞后现象会给测量带来误差。弹性滞后现象会给测量带来误差。xOF124、弹性后效、弹性后效 当载荷从某一数值变化到另一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敏感元件上的力由零增加至F F0 0时，弹时，弹性敏感元件先
7、变形至性敏感元件先变形至x x1 1，然后在载荷，然后在载荷未改变的情况下继续变形到未改变的情况下继续变形到x x0 0为止。为止。反之，如果力由减至零，弹性敏感反之，如果力由减至零，弹性敏感元件变形至元件变形至x x2 2，然后继续减小变形，然后继续减小变形，直到直到恢复原状为止。恢复原状为止。xOF 弹性后效现象x0 x1x2F05 5、固有振动频率、固有振动频率 弹性敏感元件的动态特性与它的固有频率有很大的关系。弹性敏感元件的动态特性与它的固有频率有很大的关系。弹性敏感元件的固有振动角频率为弹性敏感元件的固有振动角频率为 在实际选用或设计弹性敏感元件时，常常遇到线性度、在实际选用或设计弹
8、性敏感元件时，常常遇到线性度、灵敏度、固有振动频率之间相互矛盾、相互制约的问题，因灵敏度、固有振动频率之间相互矛盾、相互制约的问题，因此必须根据测量的对象和要求加以综合考虑。此必须根据测量的对象和要求加以综合考虑。mK/0三、弹性敏感元件的类型：三、弹性敏感元件的类型：变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件 传感器弹性元件的结构形式多种多样，根据被测量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。仅介绍几种变换力和变换压力的弹性敏感元件。变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件两端梁两端梁悬臂梁悬臂梁
