3.1 弹性敏感元件
弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。弹性敏感元件是一个非常重要的传感器部件，应具有良好的弹性和足够的精度，且应保证长期使用和温度变化时的稳定性。
3.1.1 弹性敏感元件的特性
1．刚度
刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度，一般用k表示。
式（3-1）中，F为作用在弹性元件上的外力；x为弹性元件产生的变形。
2．灵敏度
灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔度。它是刚度的倒数，用K表示。
在测控系统中希望K是常数。
3．弹性滞后
实际的弹性元件在加/卸载的正、反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象，它会给测量带来误差。产生弹性滞后的主要原因是：弹性敏感元件在工作过程中分子间存在内摩擦。当比较两种弹性材料时，应都用加载变形曲线或都用卸载变形曲线，这样才有可比性。
4．弹性后效
当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。由于弹性后效的存在，弹性敏感元件的变形始终不能迅速地跟上力的变化，在动态测量时将引起测量误差。造成这一现象的原因是由于弹性敏感元件中的分子间存在内摩擦。
5．固有振荡频率
弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率f0，它将影响传感器的动态特性。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率，往往希望f0较高。
实际选用或设计弹性敏感元件时，若遇到上述特性矛盾的情况，应根据测量的对象和要求综合考虑。
3.1.2 弹性敏感元件的分类
弹性敏感元件在形式上可分为两大类，即力转换为应变或位移的变换力的弹性敏感元件和压力转换为应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。
1．变换力的弹性敏感元件
这类弹性敏感元件大都采用等截面圆柱式、圆环式、等截面薄板、悬臂梁式及轴状等结构。如图3-2所示为几种常见的变换力的弹性敏感元件结构。
图3-2 一些变换力的弹性敏感元件形状
（1）等截面圆柱式。
等截面圆柱式弹性敏感元件，根据截面形状可分为实心圆截面形状和空心圆截面形状，如图3-2（a）、（b）所示。它们结构简单，可承受较大的载荷，便于加工。实心圆柱形的弹性敏感元件可测量大于10 kN的力，而空心圆柱形的只能测量1～10 kN的力。
（2）圆环式。
圆环式弹性敏感元件比圆柱式输出的位移量大，因而具有较高的灵敏度，适用于测量较小的力。但它的工艺性较差，加工时不易得到较高的精度。由于圆环式弹性敏感元件各变形部位应力不均匀，故采用应变片测力时，应将应变片贴在其应变最大的位置上。圆环式弹性敏感元件的形状如图3-2（c）、（d）所示。
（3）等截面薄板式。
等截面薄板式弹性敏感元件如图3-2（e）所示。由于它的厚度比较小，故又称它为膜片。当膜片边缘固定，膜片的一面受力时，膜片产生弯曲变形，因而产生径向和切向应变。在应变处贴上应变片，就可以测出应变量，从而可测得作用力F的大小。也可以利于它变形产生的挠度组成电容式或电感式力或压力传感器。
（4）悬臂梁式。
如图3-2（f）、（g）所示，悬臂梁式弹性敏感元件一端固定一端自由，结构简单，加工方便，应变和位移较大，适用于测量1～5 kN的力。
图3-2（f）为等截面悬臂梁，其上表面受拉伸，下表面受压缩。由于其表面各部位Ude应变不同，所以应变片要贴在合适的部位，否则将影响测量的精度。
图3-2（g）为变截面等强度悬臂梁，它的厚度相同，但横截面不相等，因而沿梁长度方向任一点的应变都相等，这给贴放应变片带来了方便，也提高了测量精度。
（5）扭转轴。
扭转轴是一个专门用来测量扭矩的弹性元件，如图3-2（h）所示。扭矩是一种力矩，其大小用转轴与作用点的距离和力的乘积来表示。扭转轴弹性敏感元件主要用来制作扭矩传感器，它利用扭转轴弹性体把扭矩变换为角位移，再把角位移转换为电信号输出。
2．变换压力的弹性敏感元件
这类弹性敏感元件常见的有弹簧管、波纹管、波纹膜片、膜盒和薄壁圆筒等，它可以把流体产生的压力变换成位移量输出。
（1）弹簧管。
弹簧管又称布尔登管，它是完成各种形状的空心管，但使用最多的是C形薄壁空心管。管子的截面形状有很多种，如图3-3所示。
图3-3 弹簧管的结构
使用弹簧管时应注意以下两点：
①静止压力测量时，不得高于最高标称压力的2/3，变动压力测量时，要低于最高标称压力的1/2；
②对于腐蚀性物体等特殊测量对象，要了解弹簧管使用的材料能否满足使用要求。
（2）波纹管。
波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管，如图3-4所示。波纹管的轴向在流体压力作用下极易变形，有较高的灵敏度。在变形允许范围内，管内压力与波纹管的伸缩力成正比，利用这一特性，可以将压力转换成位移量。
图3-4 波纹管的外形
波纹管主要用作测量和控制压力的弹性敏感元件，由于其灵敏度高，故在小压力和压差测量中使用较多。
（3）波纹膜片和膜盒。
平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这就是波纹膜片。其波纹形状有正弦形、梯形和锯齿形，如图3-5所示。膜片的厚度为0.05～0.3 mm，波纹的高度为0.7～1 mm。
图3-5 波纹膜片波纹的形状
波纹膜片中心部分留有一个平面，可焊上一块金属片，便于同其他部件连接。当膜片两面受到不同的压力作用时，膜片将弯向压力低的一面，其中心部分产生位移。
为了增加位移量，可以把两个波纹膜片焊接在一起组成膜盒，其挠度位移量是单个波纹膜片的两倍。
波纹膜片和膜盒多用作动态压力测量的弹性敏感元件。
（4）薄壁圆筒。
薄壁圆筒弹性敏感元件的结构如图3-6所示。圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的1/20，当筒内腔受物体压力时，筒壁均匀受力，并均匀地向外扩张，所以在筒壁的轴线方向产生拉伸力和应变。
图3-6 薄壁圆筒弹性敏感元件的结构
薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒的半径和壁厚，与圆筒长度无关。