传感器技术及应用敏感结构力学特性一.pptx

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传感器技术及应用

传感器技术及应用—传感器敏感结构的力学特性主讲教师:郭占社副教授北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院

思考题(第3章)第3章:传感器敏感结构的力学特性在物理量传感器中,可以利用弹性敏感元件的哪些物理特性?举例说明(2个)。说明弹性敏感元件的刚度、弹性滞后、弹性后效、蠕变的物理意义。通过实例进行说明。分析弹性敏感元件的热特性。解决方法:结构方案优化;温度补偿;理论设计、仿真补偿;围绕敏感元件电容式代替压阻式;电容激励代替热激励;双梁结构谐振筒大气参数测试系统;压阻式鬼微机械压力传感器;热—结构耦合仿真

3.1概述3.2弹性敏感元件的基本特性3.3基本弹性敏感元件的力学特性3.4弹性敏感元件的材料第3章:基本弹性敏感元件的力学特性

3.2弹性敏感元件的基本特性弹性模量(elasticmodulus):实验表明,在正应力σ作用下,材料沿正应力作用方向发生正应变ε,而且,如果正应力不超过一定限度(弹性形变),则正应力与正应变成正比胡克定律E:弹性模量MEMS单晶硅温度晶向纳米压痕仪

温度一般很小,炼钢、打铁,微尺度,不同晶向,模量不同线性阶段;屈服阶段;硬化阶段;颈缩阶段

3.2弹性敏感元件的基本特性实验表明,在切应力τ作用下,材料发生且应变γ,而且,如果切应力不超过一定限度(弹性形变),则切应力与切应变成正比剪切胡克定律钢与合金钢弹性模量E=200~220GPa,切变模量G=75-80GPa;铝与铝合金弹性模量:70-72GPa,切变模量26-30GPa。G:切变模量(剪切模量)切变模量(剪切模量)

3.2弹性敏感元件的基本特性泊松比(μ)轴向力作用下杆件横向变形公式:轴向力作用下横向应变公式:实验表明,轴向拉伸时,杆沿轴向伸长,其横向尺寸减小,轴向压缩式,杆沿轴向缩短,其横向尺寸则增大,即横向正应变ε’恒与轴向应变ε异号.实验还表明,在比例极限内,横向正应变与轴向正应变成正比

3.2弹性敏感元件的基本特性泊松比(μ)

圆面积分、也可以按照矩形计算

沿着谁转,对谁积分推导:圆形截面惯性矩;三角形截面惯性矩

1.受压缩(拉伸)的圆柱体(1)几何描述(2)边界条件(3)受力状态(4)基本结论A3.3.1弹性柱体

1.受压缩(拉伸)的圆柱体(1)几何描述(2)边界条件(3)受力状态(4)基本结论(续)A3.3.1弹性柱体各点处位移不同,一个周期内速度不同,等效质量不同简单推导

2.受扭转的圆柱体(1)几何描述(2)边界条件(3)受力状态(4)基本结论A周边固支扭矩M3.3.1弹性柱体

假设:变形后,横截面仍保持平面,其形状、大小与横截面间的距离均不改变,而且,半径仍为直线。概言之,圆轴扭转时,各横截面如同刚性圆片,仅绕轴线做相对旋转。此假设称为圆柱扭转平面假设。

几何变化

物理方面

静力学方面代入(3.3.18)

2.受扭转的圆柱体(1)几何描述(2)边界条件(3)受力状态(4)基本结论(续)A周边固支扭矩M3.3.1弹性柱体

拉伸柱体的振动特性一端固支,一端自由扭转3.3.1弹性柱体

弹性敏感元件的边界条件固支:位移与转角为零简支:位移与转矩为零自由:转矩与剪力为零重要补充——

弹性敏感元件的边界条件固支:位移与转角为零

挠曲线近似微分方程:

带入边界条件C=0D=0

带入边界条件C=0D=0

1.等截面情况(1)几何描述(2)边界条件(3)受力状态(4)基本结论(续)3.3.3悬臂梁

2.变截面情况(等强度)(1)几何描述(2)边界条件(3)受力状态(4)基本结论3.3.3悬臂梁

一般情况下,梁内不同横截面的弯矩不同。因此,按照最大弯矩所设计的等截面两种,出最大弯矩所在截面外,其余截面的材料强度均未得到充分利用。因此,在工程实际中,常根据弯矩沿着梁轴的变化情况,将梁也设计成变截面的,横截面变化的梁,成为截面梁。设计思想:使得梁各处的弯矩等于最大应力为指导思想

(1)几何描述(2)边界条件(3)受力状态(4)基本结论3.3.4弹双端固支梁

Fl1l2

Fl1l2

(1)几何描述(2)边界条件(3)受力状态(4)基本结论3.3.2弹性弦丝的固有振动

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