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  • 测力传感器的弹性敏感元件
    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,而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状,这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。

      传感器中把用来直接感受被测量为力、力矩或压力,并且输出与力、力矩或压力成相应确定关系的应变或位移的元件称为弹性敏感元件。

      1.弹性敏感元件的基本特性

      弹性敏感元件在应变片测量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,然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片,通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。弹性敏感元件的基本特性有以下几个。

      1)刚度

      刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度,其定义是弹性元件单位变形下所需要的力,用C表示,其数学表达式为

      式中F——作用在弹性元件上的外力,单位为牛[顿](N);

      x——弹性元件所产生的变形,单位为毫米(mm)。

      刚度也可以从弹性特性曲线上求得。图1.7中弹性特性曲线1上W点的刚度,可通过乂点作曲线1的切线,该切线与水平线夹角的正切就代表该弹性元件在W点处的刚度,即。若弹性元件的特性是线性的,则其刚度是一个常数,即常数,如图1.7中的直线2所示。

      1)灵敏度

      通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性,称为弹性元件的灵敏度,一般用^表示,其表达式为

      从上式可以看出,灵敏度就是在单位力作用下弹性元件产生变形的大小。灵敏度大,表明弹性元件软,变形大。与刚度相似,如果弹性特性是线性的,则灵敏度为一常数,若弹性特性是非线性的,则灵敏度为一变数,即表示此弹性元件在弹性变形范围内,各处由单位力产生的变形大小是不同的。

      1)弹性滞后

      由于弹性敏感元件在工作过程中材料内部分子间存在摩擦,会造成实际的弹性敏感元件从加载到卸载的正反行程中变形曲线不重合,这种现象称为弹性滞后现象。弹性滞后与材料结构、载荷特性和大小、温度等一系列因素有关系。

      2)固有振荡频率

      弹性敏感元件的动态特性和变换被测参数时的滞后作用,在相当大程度上与其固有振荡频率有关系,通常希望弹性敏感元件具有较高的固有振荡频率。但实际设计时往往会存在线性度、灵敏度、固有振荡频率等相互矛盾、互相制约的问题,这时应该根据检测对象和具体要求综合考虑。

      2.弹性敏感元件的形式

      传感器中弹性敏感元件的输入量通常是力(力矩)或流体的压力,其输出量为应变或位移(直线位移或角位移),即弹性敏感元件将力或压力变换为应变或位移。因此弹性敏感元件的形式基本分为两大类:一是将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件;二是将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。

      变换压力的弹性敏感元件,通常有弹簧管、膜片、膜盒、薄臂圆桶等,如图1.8所示。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量,单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。

      变换力的弹性敏感元件,通常有实心圆柱体或空心圆柱体、等截面圆环、等截面或等强度悬臂梁等。

      弹性敏感元件的材料通常使用合金钢(40Cr,35CrMnSiA等)、铍青铜(Qbe2,QBr2.5等)、不锈钢(1Cr18Ni9Ti等)。

      在实际应用中,对弹性敏感元件的要求是:具有足够的灵敏度;弹性后效和温度系数要小;线膨胀系数要小且恒定;具有良好的机械加工和热处理性能,以及良好的抗腐蚀与较高的导电性或绝缘性能。
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