彈性敏感元件

彈性敏感元件elastic sensitive element 感測器中由彈性材料製成的敏感元件。在感測器的工作過程中常採用彈性敏感元件把力、壓力、力矩、振動等被測參量轉換成應變數或位移量，然後再通過各種轉換元件把應變數或位移量轉換成電量。

基本介紹

• 中文名：彈性敏感元件
• 外文名：elastic sensitive element

基本組成

彈性敏感元件的形式可以是實心或空心的圓柱體、等截面圓環、等截面或等強度懸臂樑、扭管等，也可以是彈簧管(波登管)、膜片、膜盒、波紋管、薄壁圓筒、薄壁半球等。彈性敏感元件在感測器中占有很重要的地位，其質量的優劣直接影響感測器的性能和精度。在很多情況下，它甚至是感測器的核心部分。

基本特性

彈性敏感元件的基本特性可用剛度和靈敏度來表征。剛度是對彈性敏感元件在外力作用下變形大小的定量描述，即產生單位位移所需要的力（或壓力）。靈敏度是剛度的倒數，它表示單位作用力（或壓力）使彈性敏感元件產生形變的大小。實際的彈性材料在不同程度上普遍存在彈性滯後和彈性後效現象。彈性滯後是指彈性材料在載入、卸載的正反行程中,位移曲線是不重合的,構成一個彈性滯後環，即當載荷增加或減少至同一數值時位移之間存在一差值(圖中Δ&owega;)。彈性滯後的存在表明在卸載過程中沒有完全釋放外力所作的功，在一個加卸載的循環中所消耗的能量相當於滯後環包圍的面積。彈性後效是指載荷在停止變化之後，彈性元件在一段時間之內還會繼續產生類似蠕動的位移，又稱彈性蠕變。這兩種現象在彈性元件的工作過程中是相隨出現的，其後果是降低元件的品質因素並引起測量誤差和零點漂移，在感測器的設計中應儘量使它們減小。

使用材料

在設計感測器之前應首先選擇性能良好的彈性元件材料。理想的彈性元件材料應具備強度高、彈性模量溫度係數小、熱膨脹係數小、各向同性和機械加工性能好、抗氧化和抗腐蝕性好、彈性滯後小等性能，但尋找同時滿足上述要求的彈性材料是困難的，只能根據感測器的使用條件綜合考慮。彈性元件材料有彈性合金、石英、陶瓷和半導體矽等。常用彈性合金分為高彈性合金和恆彈性合金。銅基高彈性合金用得最早，如黃銅、磷青銅、鈦銅和鈹青銅等。由於銅基合金耐高溫和耐腐蝕性能差，因此鐵基和鎳基高彈性合金在一些套用場合逐漸取而代之。它們具有彈性高、滯後小、耐腐蝕等優點。高彈性合金的缺點是彈性模量的溫度係數大，因而帶來顯著的溫度誤差。因此測壓敏感元件（見壓力感測器）普遍採用恆彈性合金材料。在一定溫度範圍內，恆彈性合金的彈性模量溫度係數很小，一般為±10×10-6/℃（如Ni42CrTiA1）。較理想的高溫恆彈性合金是鈮基合金。它的特點是無磁性、恆彈性（即溫度係數小）、彈性模量低（即剛度小、可獲得高靈敏度）、強度高和耐腐蝕。石英也是一種優良的彈性元件材料，其滯後僅為最佳彈性合金的1/100,而熱線脹係數為它的1/30。陶瓷在破碎之前，應力-應變關係始終保持線性,最適於製作耐高溫的彈性元件。