弹性敏感元件

传感器中的敏感元件

弹性敏感元件elastic sensitive element 传感器中由弹性材料制成的敏感元件。在传感器的工作过程中常采用弹性敏感元件把力、压力、力矩、振动等被测参量转换成应变量或位移量，然后再通过各种转换元件把应变量或位移量转换成电量。

基本组成

弹性敏感元件的形式可以是实心或空心的圆柱体、等截面圆环、等截面或等强度悬臂梁、扭管等，也可以是弹簧管(波登管)、膜片、膜盒、波纹管、薄壁圆筒、薄壁半球等。弹性敏感元件在传感器中占有很重要的地位，其质量的优劣直接影响传感器的性能和精度。在很多情况下，它甚至是传感器的核心部分。

基本特性

弹性敏感元件的基本特性可用刚度和灵敏度来表征。刚度是对弹性敏感元件在外力作用下变形大小的定量描述，即产生单位位移所需要的力（或压力）。灵敏度是刚度的倒数，它表示单位作用力（或压力）使弹性敏感元件产生形变的大小。实际的弹性材料在不同程度上普遍存在弹性滞后和弹性后效现象。弹性滞后是指弹性材料在加载、卸载的正反行程中,位移曲线是不重合的,构成一个弹性滞后环，即当载荷增加或减少至同一数值时位移之间存在一差值(图1中Δ&owega;)。弹性滞后的存在表明在卸载过程中没有完全释放外力所作的功，在一个加卸载的循环中所消耗的能量相当于滞后环包围的面积。弹性后效是指载荷在停止变化之后，弹性元件在一段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移，又称弹性蠕变。这两种现象在弹性元件的工作过程中是相随出现的，其后果是降低元件的品质因素并引起测量误差和零点漂移，在传感器的设计中应尽量使它们减小。

使用材料

在设计传感器之前应首先选择性能良好的弹性元件材料。理想的弹性元件材料应具备强度高、弹性模量温度系数小、热膨胀系数小、各向同性和机械加工性能好、抗氧化和抗腐蚀性好、弹性滞后小等性能，但寻找同时满足上述要求的弹性材料是困难的，只能根据传感器的使用条件综合考虑。弹性元件材料有弹性合金、石英、陶瓷和半导体硅等。常用弹性合金分为高弹性合金和恒弹性合金。铜基高弹性合金用得最早，如黄铜、磷青铜、钛铜和铍青铜等。由于铜基合金耐高温和耐腐蚀性能差，因此铁基和镍基高弹性合金在一些应用场合逐渐取而代之。它们具有弹性高、滞后小、耐腐蚀等优点。高弹性合金的缺点是弹性模量的温度系数大，因而带来显著的温度误差。因此测压敏感元件（见压力传感器）普遍采用恒弹性合金材料。在一定温度范围内，恒弹性合金的弹性模量温度系数很小，一般为±10×10-6/℃（如Ni42CrTiA1）。较理想的高温恒弹性合金是铌基合金。它的特点是无磁性、恒弹性（即温度系数小）、弹性模量低（即刚度小、可获得高灵敏度）、强度高和耐腐蚀。石英也是一种优良的弹性元件材料，其滞后仅为最佳弹性合金的1/100,而热线胀系数为它的1/30。陶瓷在破碎之前，应力-应变关系始终保持线性,最适于制作耐高温的弹性元件。

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