弹性敏感元件与转换元件

弹性敏感元件与转换元件

一、基本概念

弹性敏感元件是利用材料弹性变形感受力、压力等被测量的元件。其工作基础是：被测量（力、压力、力矩等）作用后，元件产生可恢复的弹性变形或应力，该变形或应力与被测量之间存在确定关系，从而把被测量转换为位移、应变等中间量。

弹性元件是传感器中感受被测量并产生可测弹性变形或应力的基础元件。弹性敏感元件是弹性元件中直接承担“敏感”功能的一类；当弹性元件同时作为敏感环节使用时，二者在具体结构中可指同一部件。

转换元件是将敏感元件输出的非电量转换为电量输出的基础元件。例如，弹性敏感元件先把压力转换为膜片应变，贴在膜片上的电阻再把应变转换为电阻变化，此电阻即充当转换元件。

二、应力与压力差

应力是物体内部单位面积上相互作用的力，表征内力分布的强弱。设内力为 ΔF，作用面积为 ΔA，则应力 σ = ΔF / ΔA。应力随位置和方向变化，正应力引起拉伸或压缩，切应力引起剪切变形。

压力差是两个压力腔或两个测点之间压力之差。设两侧压力分别为 p₁、p₂，则压力差 Δp = p₁ − p₂。当膜片两侧存在压力差时，膜片向压力较低一侧变形；压力差越大，变形量越大。

三、受压弹性变形与应变分布

压力敏感弹性元件在压力差作用下产生弹性变形，其位移或应变分布与结构形式有关。

膜片：周边固定的圆形膜片受压力差 Δp 作用时，中心挠度最大，边缘挠度为零。膜片上的径向应变与切向应变沿半径分布：中心区域以拉应变为主，边缘附近出现压应变，存在应变符号改变的位置。周边固定、小挠度条件下，中心挠度与 Δp 近似成正比。

膜盒：由两个膜片对合或叠合构成，压力差使两膜片同时向外或向内变形，中心位移为单膜片位移的叠加，因而在相同压力差下可获得更大的位移输出，常用于低压测量。

波纹管：为带环形波纹的薄壁圆筒，压力差作用于轴向时，波纹沿轴向伸缩，自由端产生轴向位移。波纹结构使轴向刚度较低，在较小压力差下即可得到较大位移，但位移与压力差的关系存在一定非线性。

弹簧管：为弯成弧形或螺旋形的扁截面管，管内压力高于管外时，截面趋于变圆，管壁曲率变化，自由端产生位移。自由端位移与管内压力差近似成比例，常用于压力指示与压力变送。

上述元件受压后产生的位移或应变，需由转换元件进一步转换为电量，才能构成完整的传感器输出。

四、必要关系

设弹性元件刚度为 k，所受等效作用力为 F，则弹性变形位移 x 满足 x = F / k。刚度 k 由材料弹性模量、几何尺寸和结构形式决定。被测量经弹性元件变为位移或应变，再经转换元件变为电量，构成“被测量→弹性变形→电量”的转换链。

公式符号及条件：σ 为应力，ΔF 为内力，ΔA 为面积；Δp 为压力差，p₁、p₂ 为两侧压力；x 为位移，F 为等效作用力，k 为弹性元件刚度。以上关系适用于材料处于弹性范围、小变形且结构几何稳定的条件。