3.1 彈性敏感元件

彈性敏感元件把力或壓力轉換成了應變或位移，然后再由傳感器將應變或位移轉換成電信號。彈性敏感元件是一個非常重要的傳感器部件，應具有良好的彈性和足夠的精度，且應保證長期使用和溫度變化時的穩定性。

3.1.1 彈性敏感元件的特性

1．剛度

剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度，一般用k表示。

式（3-1）中，F為作用在彈性元件上的外力；x為彈性元件產生的變形。

2．靈敏度

靈敏度是指彈性敏感元件在單位力作用下產生變形的大小，在彈性力學中稱為彈性元件的柔度。它是剛度的倒數，用K表示。

在測控系統中希望K是常數。

3．彈性滯后

實際的彈性元件在加/卸載的正、反行程中變形曲線是不重合的，這種現象稱為彈性滯后現象，它會給測量帶來誤差。產生彈性滯后的主要原因是：彈性敏感元件在工作過程中分子間存在內摩擦。當比較兩種彈性材料時，應都用加載變形曲線或都用卸載變形曲線，這樣才有可比性。

4．彈性后效

當載荷從某一數值變化到另一數值時，彈性元件變形不是立即完成相應的變形，而是經一定的時間間隔逐漸完成變形的，這種現象稱為彈性后效。由于彈性后效的存在，彈性敏感元件的變形始終不能迅速地跟上力的變化，在動態測量時將引起測量誤差。造成這一現象的原因是由于彈性敏感元件中的分子間存在內摩擦。

5．固有振蕩頻率

彈性敏感元件都有自己的固有振蕩頻率f0，它將影響傳感器的動態特性。傳感器的工作頻率應避開彈性敏感元件的固有振蕩頻率，往往希望f0較高。

實際選用或設計彈性敏感元件時，若遇到上述特性矛盾的情況，應根據測量的對象和要求綜合考慮。

3.1.2 彈性敏感元件的分類

彈性敏感元件在形式上可分為兩大類，即力轉換為應變或位移的變換力的彈性敏感元件和壓力轉換為應變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。

1．變換力的彈性敏感元件

這類彈性敏感元件大都采用等截面圓柱式、圓環式、等截面薄板、懸臂梁式及軸狀等結構。如圖3-2所示為幾種常見的變換力的彈性敏感元件結構。

（1）等截面圓柱式。

等截面圓柱式彈性敏感元件，根據截面形狀可分為實心圓截面形狀和空心圓截面形狀，如圖3-2（a）、（b）所示。它們結構簡單，可承受較大的載荷，便于加工。實心圓柱形的彈性敏感元件可測量大于10 kN的力，而空心圓柱形的只能測量1～10 kN的力。

（2）圓環式。

圓環式彈性敏感元件比圓柱式輸出的位移量大，因而具有較高的靈敏度，適用于測量較小的力。但它的工藝性較差，加工時不易得到較高的精度。由于圓環式彈性敏感元件各變形部位應力不均勻，故采用應變片測力時，應將應變片貼在其應變最大的位置上。圓環式彈性敏感元件的形狀如圖3-2（c）、（d）所示。

（3）等截面薄板式。

等截面薄板式彈性敏感元件如圖3-2（e）所示。由于它的厚度比較小，故又稱它為膜片。當膜片邊緣固定，膜片的一面受力時，膜片產生彎曲變形，因而產生徑向和切向應變。在應變處貼上應變片，就可以測出應變量，從而可測得作用力F的大小。也可以利于它變形產生的撓度組成電容式或電感式力或壓力傳感器。

（4）懸臂梁式。

如圖3-2（f）、（g）所示，懸臂梁式彈性敏感元件一端固定一端自由，結構簡單，加工方便，應變和位移較大，適用于測量1～5 kN的力。

圖3-2（f）為等截面懸臂梁，其上表面受拉伸，下表面受壓縮。由于其表面各部位Ude應變不同，所以應變片要貼在合適的部位，否則將影響測量的精度。

圖3-2（g）為變截面等強度懸臂梁，它的厚度相同，但橫截面不相等，因而沿梁長度方向任一點的應變都相等，這給貼放應變片帶來了方便，也提高了測量精度。

（5）扭轉軸。

扭轉軸是一個專門用來測量扭矩的彈性元件，如圖3-2（h）所示。扭矩是一種力矩，其大小用轉軸與作用點的距離和力的乘積來表示。扭轉軸彈性敏感元件主要用來制作扭矩傳感器，它利用扭轉軸彈性體把扭矩變換為角位移，再把角位移轉換為電信號輸出。

2．變換壓力的彈性敏感元件

這類彈性敏感元件常見的有彈簧管、波紋管、波紋膜片、膜盒和薄壁圓筒等，它可以把流體產生的壓力變換成位移量輸出。

（1）彈簧管。

彈簧管又稱布爾登管，它是完成各種形狀的空心管，但使用最多的是C形薄壁空心管。管子的截面形狀有很多種，如圖3-3所示。

使用彈簧管時應注意以下兩點：

①靜止壓力測量時，不得高于最高標稱壓力的2/3，變動壓力測量時，要低于最高標稱壓力的1/2；

②對于腐蝕性物體等特殊測量對象，要了解彈簧管使用的材料能否滿足使用要求。

（2）波紋管。

波紋管是有許多同心環狀皺紋的薄壁圓管，如圖3-4所示。波紋管的軸向在流體壓力作用下極易變形，有較高的靈敏度。在變形允許范圍內，管內壓力與波紋管的伸縮力成正比，利用這一特性，可以將壓力轉換成位移量。

波紋管主要用作測量和控制壓力的彈性敏感元件，由于其靈敏度高，故在小壓力和壓差測量中使用較多。

（3）波紋膜片和膜盒。

平膜片在壓力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有環狀同心波紋的圓形薄膜，這就是波紋膜片。其波紋形狀有正弦形、梯形和鋸齒形，如圖3-5所示。膜片的厚度為0.05～0.3 mm，波紋的高度為0.7～1 mm。

波紋膜片中心部分留有一個平面，可焊上一塊金屬片，便于同其他部件連接。當膜片兩面受到不同的壓力作用時，膜片將彎向壓力低的一面，其中心部分產生位移。

為了增加位移量，可以把兩個波紋膜片焊接在一起組成膜盒，其撓度位移量是單個波紋膜片的兩倍。

波紋膜片和膜盒多用作動態壓力測量的彈性敏感元件。

（4）薄壁圓筒。

薄壁圓筒彈性敏感元件的結構如圖3-6所示。圓筒的壁厚一般小于圓筒直徑的1/20，當筒內腔受物體壓力時，筒壁均勻受力，并均勻地向外擴張，所以在筒壁的軸線方向產生拉伸力和應變。

薄壁圓筒彈性敏感元件的靈敏度取決于圓筒的半徑和壁厚，與圓筒長度無關。