專利名稱:電感應(yīng)變片的制作方法
本發(fā)明系非電量電測技術(shù)領(lǐng)域：
中一種測量應(yīng)變的傳感器-電感應(yīng)變片。
目前國內(nèi)外應(yīng)變片均為電阻式，稱為電阻應(yīng)變片。它的缺點有靈敏度低，需要有放大倍數(shù)很大的放大器，二次儀表的成本高，再者由于放大倍數(shù)高，也就帶來了二次儀表穩(wěn)定性的困難;應(yīng)變的量程范圍較小，對變形很大的試件(例如瀝青磚)不能測量;要求電阻絲對連接電纜外皮的絕緣電阻很高，在100MΩ以上，因此不適宜在潮濕環(huán)境中使用，用途受到限制;連接的電纜較短，一般為10米左右，在100米以上時易受50周工頻電干擾，不穩(wěn)定，影響使用;供給應(yīng)變片的交流供電(載波)頻率不高，一般在10KHZ左右，被測振動的頻響不寬;由于電阻片的靈敏度很低及要求電阻片的絕緣電阻要很高，因此要將電阻片緊密牢靠地粘貼在試件上，要求受過專門技術(shù)訓(xùn)練的人員粘貼，以保證電阻應(yīng)變計的靈敏度和絕緣電阻，使用不方便。
經(jīng)查閱專利、技術(shù)資料及產(chǎn)品目錄，參觀了1986年4月在北京舉行的多國儀器展覽會，目前國內(nèi)外都是電阻應(yīng)變片，沒有電感應(yīng)變片。
目前電阻應(yīng)變片的改進型是將電阻片事先粘貼在金屬基片上并用金屬薄膜密封，總厚度2mm.，用特制的鉻鐵將電阻應(yīng)變片的金屬基片焊接在被測的金屬試件上，例如美國EATON公司的產(chǎn)品。
本發(fā)明提供了一種微型結(jié)構(gòu)電感應(yīng)變片，它的靈敏度高、所需的放大器的放大倍數(shù)較小、量程范圍大、穩(wěn)定性好、頻響寬、連接電纜長、抗50周工頻電干擾及使用方便，用作靜態(tài)及動態(tài)應(yīng)變測量。
實現(xiàn)本發(fā)明所提供的電感應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)實施例見圖1。
1、本電感應(yīng)變片由微形扁平形狀電感線圈L1、L2(見圖1中的(1))、扁筒形線圈骨架(2)、扁平狀單磁芯片(3)、扁平狀連桿片(4)、絕緣基片薄膜(5)構(gòu)成;電感線圈厚度0.4mm.-1mm.;扁平狀單磁芯片(3)，厚度為0.08-0.2mm.，裝在絕緣材料制成的連桿片(4)的一端，放入扁筒形線圈骨架的空洞中，并能在扁筒形線圈骨架的空洞中自由移動;電感線圈L1、L2均為單層，匝與匝之間緊靠平繞;磁芯片與電感線圈L1、L2的長度的比例為0.3-0.7;扁筒形線圈骨架的彎曲終端(7)用絕緣膠粘牢固定在由聚酰亞胺制成的絕緣基片薄膜(5)的一端;連桿片的終端彎曲端(8)用絕緣膠粘牢固定在絕緣基片薄膜(5)的另一端，以致在件(7)與件(8)之間形成應(yīng)變(變形)測量用的基距L;當(dāng)電感應(yīng)變片粘貼在被測物上產(chǎn)生變形±ΔL時，則基距產(chǎn)生變形±ΔL，磁芯片對兩個線圈的中心位置(零點)也隨之產(chǎn)生ΔL的偏移，應(yīng)變ε由下式表示±ε＝ (±ΔL)/(L)
經(jīng)過電測線路即可得到應(yīng)變ε的大小及正、負(fù)方向;用聚酰亞胺薄膜(6)將電感線圈覆蓋，此薄膜兩側(cè)用絕緣膠粘牢固定在絕緣基片(5)上;圖2、(a)為圖1中的A-A剖面圖，圖2、(B)為圖1中的B-B剖面圖;電感線圈L1.L2的供電勵磁頻率為100KHZ-2MHZ.它能粘貼在被測物(金屬或非金屬)上測量應(yīng)變。
2、電感線圈L1、L2的匝數(shù)相等，用φ0.05-φ0.29mm.漆包銅導(dǎo)線繞在扁筒形線圈骨架(2)上制成;在一般量測范圍匝數(shù)分別為20-200匝，在大量測范圍時分別為200-800匝;制成的電感應(yīng)變片，總厚度為0.6-1.2mm.，寬4mm.，長6mm.(根據(jù)測量范圍可加寬及加長)。
3、電感線圈L1、L2的纏繞方向相同，為串接，即L1的尾端與L2的始端相連接，共有三根引出線①、②、③，見圖3，此三根引出線穿過絕緣薄膜(6)的三個孔洞引出到絕緣基片薄膜(5)的一端，并用絕緣膠粘牢固定在絕緣基片薄膜上;電感線圈繞成后，外層涂絕緣膠密封;用聚酰亞胺薄膜(6)將電感線圈覆蓋，此薄膜兩側(cè)用絕緣膠粘牢固定在絕緣基片薄膜(5)上。
4、線圈骨架及連桿片均用絕緣材料聚酰亞胺制成;磁芯片的材料是，當(dāng)電感線圈的勵磁頻率為100KHZ-200KHZ時為玻莫合金薄片，在200KHZ-500KHZ時為壓制的鐵淦氧磁芯薄片，在500KHZ-2MHZ時為銅箔制成;繞制電感線圈的漆包銅導(dǎo)線，當(dāng)使用環(huán)境溫度為-70℃-+100℃時用高強度漆包銅導(dǎo)線，-70℃-+300℃時用聚酰亞胺漆包銅導(dǎo)線。
5、電感應(yīng)變片在制造時預(yù)先調(diào)零，即將電感L1、L2的三根引出線與電測線路相連接，用手移動連桿片(4)，使磁芯片處于電感線圈L1、L2的中心部分，此時儀表讀數(shù)為零，再將連桿片的終端彎曲端(8)用絕緣膠固定在絕緣基片薄膜(5)上。
6、電感應(yīng)變片(計)的電測線路如圖4，它不同于傳統(tǒng)的電橋電路，它的線路簡單，靈敏度較高，能接長電纜。電纜(c)為雙芯屏蔽電纜;變壓器T1及T2的磁芯尺寸和初級、次級的匝數(shù)都分別相等，為升壓變壓器;T1及T2的初級與次級繞組都分別串接，它們的中心點接“⊥”，并與電纜的屏蔽層相連接;振蕩器的輸出變壓器T3的次級在(a)、(b)兩點與變壓器T1、T2的初級兩端并聯(lián)，經(jīng)電纜(c)供給電感線圈L1、L2的勵磁電壓;電纜兩端在所用的勵磁頻率下進行阻抗匹配。磁芯片(1)偏離電感線圈L1、L2的中心位置時，在電感線圈L1、L2的兩端①、③產(chǎn)生電壓差值，此電壓差值與磁芯片的位移在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系;此電壓差值在變壓器T1、T2的次級端④、⑤取出，送至差動放大或平衡對稱整流電路以供測量。電感線圈L1、L2的殘余(零點)電壓由差動放大(或?qū)ΨQ平衡整流)電路中的平衡電位器來調(diào)節(jié)及抵消。它的工作原理是由振蕩器的輸出變壓器T3供給電感應(yīng)變片L1、L2的勵磁電壓，當(dāng)磁芯片處于電感線圈(L1、L2)的中心部分時，L1與L2的端電壓彼此相等(U1＝U2)，由于放大器的輸入變壓器T1、T2初級與次級的匝數(shù)都分別相等，因此T1、T2次級輸出端④與⑤之間的電壓等于零。(U′1-U′2＝O)，儀表的讀數(shù)為零。如讀數(shù)不為零，則可調(diào)節(jié)差動放大器(或平衡對稱整流)中的電位器使儀表讀數(shù)為零。當(dāng)磁芯片向上端移動時，磁芯偏離中心(零點)位置+ΔL，則電感線圈L1的電感量增加，即它的阻抗增加，L1的兩端電壓U1增加(U′1亦隨之增加);而電感線圈L2的電感量減小，它的兩端電壓U2減小(U′2亦隨之減小)，則在電感線圈L1與L2的兩端〔(1)與(3)〕出現(xiàn)差值電壓ΔU(ΔU＝U1-U2)，因此在變壓器T1、T2的次級輸出端(4)與(5)出現(xiàn)差值電壓ΔU′(ΔU′＝U1′-U2′)此差值電壓與磁芯片的位移+ΔL在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系，于是將磁芯片的位移量轉(zhuǎn)換成電量，以供測量。在磁芯偏離中心(零點)-ΔL時，同理，在T1、T2的次級亦有差值電壓ΔU′，它是交流，經(jīng)過差動放大(或平衡對稱整流)、相敏解調(diào)和低通濾波，即可取出此位移(變形)訊號電壓，因為經(jīng)過了相敏解調(diào)，因此能定出位移的“正”(+)及“負(fù)”(-)的方向。由于被測振動頻率響應(yīng)的高端是取載頻的十分之一，當(dāng)勵磁頻率為100KHZ-2MHZ時，故電感應(yīng)變片的測振頻響為10KHZ-200KHZ。
由于電纜的波阻抗為50-200Ω，是低阻抗，因此對電感應(yīng)變片的絕緣電阻的要求不高，將電感線圈密封后即可在潮濕環(huán)境中使用。
本電感應(yīng)變片連接電纜的長度可達500米。
7、本項電感應(yīng)變片比電阻應(yīng)變片的靈敏度要高150倍，例如電阻應(yīng)變片的放大器的放大倍數(shù)要15000倍，在相同靈敏度時，電感應(yīng)變片的放大倍數(shù)只需100倍，這樣就簡化了電測放大器的線路，提高了穩(wěn)定性，降低了生產(chǎn)成本，提高了測量靈敏度。
本電感應(yīng)變片的量程范圍寬，連接導(dǎo)線長，能防潮，靈敏度高，分辨力可達0.1με(微應(yīng)變)，量測的最大應(yīng)變值可達5×105με，比電阻應(yīng)變片要大;線性為0.1%-0.5%;動態(tài)幅頻特性為DC-10KHZ，DC-200KHZ。上述性能都優(yōu)于電阻應(yīng)變片。
權(quán)利要求
1.一種測量靜態(tài)及動態(tài)應(yīng)變的傳感器，本發(fā)明的特征是它由微形扁片形狀電感線圈L1、L2(見圖1中的(1))、扁筒形線圈骨架(2)、扁平狀單磁芯片(3)、扁平狀連桿片(4)、絕緣基片薄膜(5)構(gòu)成電感應(yīng)變片；電感線圈厚度0.4mm-1mm；扁筒形線圈骨架厚度0.3-0.6mm，用絕緣材料制成；扁平狀單磁芯片(3)，厚度為0.08-0.2mm，裝在絕緣材料制成的連桿片(4)的一端，放入扁筒形線圈骨架的空洞中，并能在扁筒形線圈骨架的空洞中自由移動；電感線圈L1、L2均為單層，匝與匝之間緊靠平繞；磁芯片與電感線圈L1、L2的長度的比例為0.3-0.7；扁筒形線圈骨架的彎曲終端(7)用絕緣膠粘牢固定在由聚酰亞胺制成的絕緣基片薄膜(5)的一端；連桿片的終點彎曲端(8)用絕緣膠粘牢固定在絕緣基片薄膜(5)的另一端；以致在件(7)與件(8)之間形成應(yīng)變(變形)測量用的基距L；電感線圈L1、L2的供電勵磁頻率為100KHZ-2MHZ。
2.根據(jù)權(quán)項1所述的電感應(yīng)變片，其特征為電感線圈L1、L2的匝數(shù)相等，用φ0.05-φ0.29mm。漆包銅線繞在扁筒形線圈骨架(2)上制成;在一般量測范圍匝數(shù)分別為20-200匝，在大量測范圍時分別為200-800匝;制成的電感應(yīng)變片，總厚度為0.6-1.2mm.，寬4mm.，長6mm.，根據(jù)測量范圍可加寬及加長。
3.根據(jù)權(quán)項1所述的電感應(yīng)變片，電感線圈L1、L2的纏繞方向相同，為串連，即L1的尾端與L2的始端相連接，共有三根引出線，見圖3，此三根引出線穿過絕緣薄膜(6)的三個孔洞引出到絕緣基片薄膜(5)的一端，并用絕緣膠粘牢固定在絕緣基片薄膜上;電感線圈繞成后，外層涂絕緣膠密封;用聚酰亞胺薄膜(6)將電感線圈覆蓋，此薄膜兩側(cè)用絕緣膠粘牢固定在絕緣基片薄膜(5)上。
4.根據(jù)權(quán)項1所述的電感應(yīng)變片，其特征為線圈骨架及連桿片均用絕緣材料聚酰亞胺制成;磁芯片的材料是，當(dāng)電感線圈的勵磁頻率為100KHZ-200KHZ時為玻莫合金片，在200KHZ-500KHZ時為壓制的鐵淦氧磁芯片，在500KHZ-2MHZ時為銅箔制成;繞制電感線圈的漆包銅導(dǎo)線，當(dāng)使用環(huán)境濕度為-70℃-+100℃時用高強度漆包銅導(dǎo)線，-70℃-+300℃時用聚酰亞胺漆包銅導(dǎo)線。
5.根據(jù)權(quán)項1所述的電感應(yīng)變片在制造時預(yù)先調(diào)零，即將電感L1、L2的三根引出線與電測線路相連接，用手移動連桿片(4)，使磁芯片處于電感線圈L1、L2的中心部分，此時儀表讀數(shù)為零，再將連桿片的終點彎曲端(8)用絕緣膠固定在絕緣基片薄膜(5)上。
6.根據(jù)權(quán)項1所述的電感應(yīng)變片，電測線路如圖4。變壓器T1及T2的磁芯尺寸和初級、次級的匝數(shù)都分別相等，為升壓變壓器;T1及T2的初級與次級繞組都分別串接，它們的中心點接“⊥”，并與電纜的屏蔽層相連接;振蕩器的輸出變壓器T3的次級在(a)、(b)兩點與變壓器T1、T2的初級兩端點并聯(lián)，經(jīng)電纜(c)供給電感線圈L1L2的勵磁電壓;在所用的勵磁頻率下電纜兩端進行阻抗匹配。
專利摘要
一種測量靜態(tài)及動態(tài)應(yīng)變的電感應(yīng)變片，本發(fā)明特征是，兩個電感線圈為微形扁片形狀，用高強度漆包銅導(dǎo)線繞在扁筒形線圈骨架上制成；磁芯為扁平狀單片，裝在扁平狀連桿片的一端，放入線圈骨架的空洞中，能自由移動；扁形線圈骨架的彎曲終端及連桿片的終點彎曲端分別固定在絕緣基片薄膜的兩端，形成應(yīng)變測量的基距L。它比傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片的靈敏度高、所需的放大器的放大倍數(shù)小、穩(wěn)定性好、量程范圍大、抗干擾、頻響寬、連接電纜長，能粘貼在金屬或非金屬試件上進行測量。
文檔編號G01D5/12GK86107872SQ86107872
公開日1988年9月7日 申請日期1986年11月15日
發(fā)明者李楚 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan