可測量表面應(yīng)變軸向偏導(dǎo)的軸向偏差全橋全叉指型金屬應(yīng)變片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及傳感器領(lǐng)域,尤其是一種金屬應(yīng)變片。 【背景技術(shù)】
[0002] 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是電阻應(yīng)變效應(yīng),即金屬絲在受到應(yīng)變作用時,其電 阻隨著所發(fā)生機(jī)械變形(拉伸或壓縮)的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變效應(yīng)的理論公 式如下?
[0003]
[0004] 其中R是其電阻值,P是金屬材料電阻率,L是金屬材料長度,S為金屬材料截面 積。金屬絲在承受應(yīng)變而發(fā)生機(jī)械變形的過程中,P、L、S三者都要發(fā)生變化,從而必然會 引起金屬材料電阻值的變化。當(dāng)金屬材料被拉伸時,長度增加,截面積減小,電阻值增加;當(dāng) 受壓縮時,長度減小,截面積增大,電阻值減小。因此,只要能測出電阻值的變化,便可知金 屬絲的應(yīng)變情況。由式(1)和材料力學(xué)等相關(guān)知識可導(dǎo)出金屬材料電阻變化率公式
[0005]
[0006] 其中A R為電阻變動量,A L為金屬材料在拉力或者壓力作用方向上長度的變化 量,e為同一方向上的應(yīng)變常常稱為軸向應(yīng)變,K為金屬材料應(yīng)變靈敏度系數(shù)。
[0007] 在實(shí)際應(yīng)用中,將金屬電阻應(yīng)變片粘貼在傳感器彈性元件或被測機(jī)械零件的表 面。當(dāng)傳感器中的彈性元件或被測機(jī)械零件受作用力產(chǎn)生應(yīng)變時,粘貼在其上的應(yīng)變片也 隨之發(fā)生相同的機(jī)械變形,引起應(yīng)變片電阻發(fā)生相應(yīng)的變化。這時,電阻應(yīng)變片便將力學(xué)量 轉(zhuǎn)換為電阻的變化量輸出。
[0008] 但是有時我們也需要了解工件應(yīng)變的偏導(dǎo)數(shù),比如下面有三種場合,但不限于此 三,需要用到工件表面應(yīng)變偏導(dǎo)數(shù):
[0009] 第一,由于工件形狀突變處附近會出現(xiàn)應(yīng)變集中,往往成為工件首先出現(xiàn)損壞之 處,監(jiān)測形狀突變處附近的應(yīng)變偏導(dǎo)數(shù),可直觀的獲取該處應(yīng)變集中程度。
[0010] 第二,建筑、橋梁、機(jī)械設(shè)備中受彎件大量存在,材料力學(xué)有關(guān)知識告訴我們,彎曲 梁表面軸向應(yīng)變與截面彎矩成正比,截面彎矩的軸向偏導(dǎo)數(shù)與截面剪應(yīng)變成正比,也就是 可以通過表面軸向應(yīng)變的軸向偏導(dǎo)數(shù)獲知截面剪應(yīng)變,而該剪應(yīng)變無法用應(yīng)變片在工件表 面直接測量到;
[0011] 第三,應(yīng)用彈性力學(xué)研究工件應(yīng)變時,內(nèi)部應(yīng)變決定于偏微分方程,方程求解需要 邊界條件,而工件表面應(yīng)變偏導(dǎo)數(shù)就是邊界條件之一,這是一般應(yīng)變片無法提供的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0012] 為了克服已有金屬應(yīng)變片無法檢測應(yīng)變偏導(dǎo)的不足,本實(shí)用新型提供一種既能測 量應(yīng)變更能有效檢測表面應(yīng)變軸向一階和二階偏導(dǎo)的可測量表面應(yīng)變軸向偏導(dǎo)的軸向偏 差全橋全叉指型金屬應(yīng)變片。
[0013] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0014] -種可測量表面應(yīng)變軸向偏導(dǎo)的軸向偏差全橋全叉指型金屬應(yīng)變片,包括基底, 所述金屬應(yīng)變片還包括四個敏感柵,每個敏感柵的兩端分別連接一根引出線,所述基底上 固定所述四個敏感柵;
[0015] 每一敏感柵包括敏感段和過渡段,所述敏感段的兩端為過渡段,所述敏感段呈細(xì) 長條形,所述過渡段呈粗短形,所述敏感段的電阻遠(yuǎn)大于所述過渡段的電阻,相同應(yīng)變狀態(tài) 下所述敏感段的電阻變化值遠(yuǎn)大于所述過渡段的電阻變化值,所述過渡段的電阻變化值接 近于〇;
[0016] 每個敏感段的所有橫截面形心構(gòu)成敏感段軸線,該敏感段軸線為一條直線段,各 敏感段的軸線平行并且位于同一平面中,敏感段軸線所確定平面內(nèi),沿所述敏感段軸線方 向即軸向,與軸向垂直的方向?yàn)闄M向;每個敏感段的所有橫截面形狀尺寸一致;取每個敏 感段的軸線中點(diǎn)位置并以該敏感段電阻值為名義質(zhì)量構(gòu)成所在敏感段的名義質(zhì)點(diǎn),各個敏 感段的名義質(zhì)點(diǎn)共同形成的質(zhì)心位置為敏感柵的中心;
[0017] 四個敏感柵的敏感段總電阻一致,所述四個敏感柵在相同的應(yīng)變下敏感段的總電 阻變化值一致,四個敏感柵之中心位于一條直線上,該一條直線平行于四個敏感柵任何一 條敏感段軸線,四個敏感柵沿此直線方向從左至右分別稱為左敏感柵,中左敏感柵,中右敏 感柵和右敏感柵;各敏感段軸線所確定平面上,任意兩個敏感柵之間均呈叉指布置;
[0018] 四個敏感柵中心在軸向上有偏差,在橫向上無偏差,左敏感柵中心與中左敏感柵 中心的距離為A&;中左敏感柵中心與中右敏感柵中心的距離為A X 2,中右敏感柵中心與 右敏感柵中心距離為A x3,左敏感柵中心與中右敏感柵中心的距離為A x4= AX片A x2,中 左敏感柵中心與右敏感柵中心距離為A x5= Ax 2+A x3,左敏感柵中心與右敏感柵中心距 離為 Ax6= Axi+AxjAx;^
[0019] 本實(shí)用新型中,四個敏感柵的敏感段總電阻應(yīng)一致,并且四個敏感柵在相同的應(yīng) 變下敏感段總電阻變化量應(yīng)一致。由于測量電橋有四個橋臂,可以將將四個敏感柵按一定 次序分別布置于四個電橋,所以稱這個應(yīng)變片為全橋的。比如,四敏感柵之敏感段的橫截面 均相同,材質(zhì)一致,且四個敏感柵的敏感段的長度的總和相等。
[0020] 四敏感柵中任意兩個敏感柵之間的軸向距離均為A Xi (i = 1,2,…,6)之一,A Xi 一般小于甚至遠(yuǎn)小于各敏感段的長度,所述叉指布置是指:兩敏感柵的各敏感段軸線所在 平面上,在與敏感段軸線垂直方向上兩敏感柵的敏感段錯落分布,對在該方向上兩敏感柵 之敏感段分別出現(xiàn)的次序和次數(shù)不做限制。由此,四敏感柵形成全叉指布置。由于左敏感 柵、中左敏感柵、中右敏感柵和右敏感柵的相對位置由應(yīng)變片生產(chǎn)工藝保證被相當(dāng)精確地 固定了,這也是本實(shí)用新型能檢測工件應(yīng)變軸向偏導(dǎo)數(shù)的關(guān)鍵之一。
[0021] 利用金屬材料電阻變化值與應(yīng)變之間的線性關(guān)系,第一,像普通應(yīng)變片那樣可以 用于測量應(yīng)變;第二,四敏感柵中任意兩個的電阻差與該兩個敏感柵之中心的距離之比反 映了應(yīng)變的軸向偏導(dǎo);第三,右敏感柵與左敏感柵電阻之和減去中左敏感柵與中右敏感柵 電阻之和的差與應(yīng)變的軸向二階偏導(dǎo)成正比。
[0022] 在工藝上應(yīng)注意保持各敏感柵過渡段總電阻以及過渡段電阻在外部應(yīng)變下之變 化量一致以調(diào)高測量精度,如果過渡段的電阻以及應(yīng)變下電阻變化量不可忽略,也能作為 系統(tǒng)誤差在檢測時加以消除。
[0023] 進(jìn)一步,所述金屬應(yīng)變片還包括蓋片,所述蓋片覆蓋于所述敏感柵和基底上。
[0024] 再進(jìn)一步,所述敏感柵為絲式、箱式、薄膜式或厚膜式敏感柵。
[0025] 更進(jìn)一步,所述基底為膠膜基底、玻璃纖維基底、石棉基底、金屬基底或臨時基底。
[0026] 所述四個敏感柵從左至右布置在基底上。當(dāng)然,也可以為其他的布置方式。
[0027] 本實(shí)用新型的有益效果主要表現(xiàn)在:不僅能測量工件表面應(yīng)變,更能有效檢測表 面應(yīng)變軸向一階和二階偏導(dǎo)數(shù)。
【附圖說明】
[0028] 圖1是可測量表面應(yīng)變軸向偏導(dǎo)的軸向偏差全橋全叉指型金屬應(yīng)變片的示意圖。
[0029] 圖2是可測量表面應(yīng)變軸向偏導(dǎo)的軸向偏差全橋全叉指型金屬應(yīng)變片俯視圖。
[0030] 圖3是測量電橋示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
[0032] 參照圖1~圖3, 一種可測量表面應(yīng)變軸向偏導(dǎo)的軸向偏差全橋全叉指型金屬應(yīng) 變片,包括基底,所述金屬應(yīng)變片還包括四個敏感柵,每個敏感柵的兩端分別連接一根引出 線,所述基底上固定所述四個敏感柵;
[0033] 每一敏感柵包括敏感段和過渡段,所述敏感段的兩端為過渡段,所述敏感段呈細(xì) 長條形,所述過渡段呈粗短形,所述敏感段的電阻遠(yuǎn)大于所述過渡段的電阻,相同應(yīng)變狀態(tài) 下所述敏感段的電阻變化值遠(yuǎn)大于所述過渡段的電阻變化值,所述過渡段的電阻變化值接 近于〇;
[0034] 每個敏感段的所有橫截面形心構(gòu)成敏感段軸線,該敏感段軸線為一條直線段,各 敏感段的軸線平行并且位于同一平面中,敏感段軸線所確定平面內(nèi),沿所述敏感段軸線方 向即軸向,與軸向垂直的方向?yàn)闄M向;每個敏感段的所有橫截面形狀尺寸一致;取每個敏 感段的軸線中點(diǎn)位置并以該敏感段電阻值為名義質(zhì)量構(gòu)成所在敏感段的名義質(zhì)點(diǎn),各個敏 感段的名義質(zhì)點(diǎn)共同形成的質(zhì)心位置為敏感柵的中心;
[0035] 四個敏感柵的敏感段總電阻一致,所述四個敏感柵在相同的應(yīng)變下敏感段的總電 阻變化值一致,四個敏感柵之中心位于一條直線上,該一條直線平行于四個敏感柵任何一 條敏感段軸線,四個敏感柵沿此直線方向從左至右分別稱為左敏感柵,中左敏感柵,中右敏 感柵和右敏感柵;各敏感段軸線所確定平面上,任意兩個敏感柵之間均呈叉指布置;
[0036] 四個敏感柵中心在軸向上有偏差,在橫向上無偏差,左敏感柵中心與中左敏感柵 中心的距離為A&;中左敏感柵中心與中右敏感柵中心的距離為AX2,中右敏感柵中心與 右敏感柵中心距離為Ax3,左敏感柵中心與中右敏感柵中心的距離為Ax4=AX片Ax2,中 左敏感柵中心與右敏感柵中心距離為Ax5=Ax2+Ax3,左敏感柵中心與右敏感柵中心距 離為Ax6=Axi+AxjAx;^
[0037] 本實(shí)施例中,可測量表面應(yīng)變軸向偏導(dǎo)的軸向偏差全橋全叉指型金屬應(yīng)變片的一 個實(shí)例,包括一個基底1,按圖2的左右次序有左敏感柵2,中左敏感柵3,中右敏感柵4,右 敏感柵5,八個引出線6,還可以有蓋片(各附圖中未予表示)。
[0038] 基底1之上可固定左敏感柵2,中左敏感柵3,中右敏感柵4和右敏感柵5,用于保 持各敏感柵固定的形狀、位置和尺寸;基底1很薄,從而將試件表面的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到左 敏感柵2,中左敏感柵3,中右敏感柵4和右敏感柵5。基底1可以是膠膜基底、玻璃纖維基 底、石棉基底、金屬基底和臨時基底。通常用黏結(jié)、焊接、陶瓷噴涂等方式將基底固定于測試 件的被測部位?;?上還可印有一些用于應(yīng)變片定位的線條。
[0039] 蓋片用紙或者膠等材料制成,覆蓋于左敏感柵2,中左敏感柵3,中右敏感柵4、右 敏感柵5和基底1上,起防潮、防蝕、防損等作用的保護(hù)層。
[0040] 引線6用于連接敏感柵和測量電路,左敏感柵2,中左敏感柵3,中右敏感柵4和右 敏感柵5各有兩個引線6,對與箱式和膜式應(yīng)變片,引線6與其所連接的左敏感柵2,中左敏 感柵3,中右敏感柵4或右敏感柵5聯(lián)為一體。左敏感柵2的引腳為6-1和6-2,中左敏感 柵3的引腳為6-3和6-4