可測量表面應變軸向偏導的軸向偏差全橋雙叉指型金屬應變片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及傳感器領(lǐng)域，尤其是一種金屬應變片。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬電阻應變片的工作原理是電阻應變效應，即金屬絲在受到應變作用時，其電 阻隨著所發(fā)生機械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應的變化。電阻應變效應的理論公 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。金屬絲在承受應變而發(fā)生機械變形的過程中，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。當金屬材料被拉伸時，長度增加，截面積減小，電阻值增加；當 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 屬絲的應變情況。由式（1)和材料力學等相關(guān)知識可導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為同一方向上的應變常常稱為軸向應變，K為金屬材料應變靈敏度系數(shù)。
[0007] 在實際應用中，將金屬電阻應變片粘貼在傳感器彈性元件或被測機械零件的表 面。當傳感器中的彈性元件或被測機械零件受作用力產(chǎn)生應變時，粘貼在其上的應變片也 隨之發(fā)生相同的機械變形，引起應變片電阻發(fā)生相應的變化。這時，電阻應變片便將力學量 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變的偏導數(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變偏導數(shù)：
[0009] 第一，由于工件形狀突變處附近會出現(xiàn)應變集中，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變偏導數(shù)，可直觀的獲取該處應變集中程度。
[0010] 第二，建筑、橋梁、機械設備中受彎件大量存在，材料力學有關(guān)知識告訴我們，彎曲 梁表面軸向應變與截面彎矩成正比，截面彎矩的軸向偏導數(shù)與截面剪應變成正比，也就是 可以通過表面軸向應變的軸向偏導數(shù)獲知截面剪應變，而該剪應變無法用應變片在工件表 面直接測量到；
[0011] 第三，應用彈性力學研究工件應變時，內(nèi)部應變決定于偏微分方程，方程求解需要 邊界條件，而工件表面應變偏導數(shù)就是邊界條件之一，這是一般應變片無法提供的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 為了克服已有金屬應變片無法檢測應變偏導的不足，本實用新型提供一種既能測 量應變更能有效檢測表面應變軸向一階和二階偏導的可測量表面應變軸向偏導的軸向偏 差全橋雙叉指型金屬應變片。
[0013] 本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0014] -種可測量表面應變軸向偏導的軸向偏差全橋雙叉指型金屬應變片，包括基底， 其所述金屬應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 長條形，所述過渡段呈粗短形，所述敏感段的電阻遠大于所述過渡段的電阻，相同應變狀態(tài) 下所述敏感段的電阻變化值遠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，與軸向垂直的方向為橫向；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，各個敏 感段的名義質(zhì)點共同形成的質(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左敏感柵，左右敏感柵，右左 敏感柵和右右敏感柵；各敏感段軸線所確定平面上，左左敏感柵與左右敏感柵之間叉指布 置，右左敏感柵和右右敏感柵之間也呈叉指布置；
[0018] 四個敏感柵中心在軸向上有偏差，在橫向上無偏差，左左敏感柵中心與左右敏 感柵中心的距離為A七;左右敏感柵中心與右左敏感柵中心的距離為AX2，右左敏感柵 中心與右右敏感柵中心距離為Ax3，左左敏感柵中心與右左敏感柵中心的距離為Ax4 = 八七+八知，左右敏感柵中心與右右敏感柵中心距離為八&=八12+八&，左左敏感柵中心與 右右敏感柵中心距離為Ax6=Axi+Axjj+Axp
[0019] 本實用新型中，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，所以稱這個應變片為全橋的。比如，四敏感柵之敏感段的橫截面相同，材 質(zhì)一致，且四個敏感柵的敏感段的長度的總和相等。
[0020] 左左敏感柵與左右敏感柵之中心的距離aXl-般小于甚至遠小于各敏感段的長 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。同樣，右左敏感柵與右右敏感柵之間也呈叉指布置。然而，左左敏感柵與右左敏感柵 和右右敏感柵均不呈叉指布置；左右敏感柵與右左敏感柵和右右敏感柵均不呈叉指布置； 右左敏感柵與左左敏感柵和左右敏感柵均不呈叉指布置；右右敏感柵與左左敏感柵和左右 敏感柵均不呈叉指布置。由于左左敏感柵、左右敏感柵、右左敏感柵和右右敏感柵的相對位 置由應變片生產(chǎn)工藝保證被相當精確地固定了，這也是本實用新型能檢測工件應變軸向偏 導數(shù)的關(guān)鍵之一。
[0021] 利用金屬材料電阻變化值與應變之間的線性關(guān)系，第一，像普通應變片那樣可以 用于測量應變；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 映了應變的軸向偏導；第三，右右敏感柵與左左敏感柵電阻之和減去左右敏感柵與右左敏 感柵電阻之和的差與應變的軸向二階偏導成正比。
[0022] 在工藝上應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] 進一步，所述金屬應變片還包括蓋片，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。當然，也可以為其他的布置方式。
[0027] 本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在：不僅能測量工件表面應變，更能有效檢測表 面應變軸向一階和二階偏導數(shù)。
【附圖說明】
[0028] 圖1是可測量表面應變軸向偏導的軸向偏差全橋雙叉指型金屬應變片的示意圖。
[0029] 圖2是可測量表面應變軸向偏導的軸向偏差全橋雙叉指型金屬應變片俯視圖。
[0030] 圖3是測量電橋示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。
[0032] 參照圖1~圖3, 一種可測量表面應變軸向偏導的軸向偏差全橋雙叉指型金屬應 變片，包括基底，其所述金屬應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 長條形，所述過渡段呈粗短形，所述敏感段的電阻遠大于所述過渡段的電阻，相同應變狀態(tài) 下所述敏感段的電阻變化值遠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，與軸向垂直的方向為橫向；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，各個敏 感段的名義質(zhì)點共同形成的質(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左敏感柵，左右敏感柵，右左 敏感柵和右右敏感柵；各敏感段軸線所確定平面上，左左敏感柵與左右敏感柵之間叉指布 置，右左敏感柵和右右敏感柵之間也呈叉指布置；
[0036] 四個敏感柵中心在軸向上有偏差，在橫向上無偏差，左左敏感柵中心與左右敏 感柵中心的距離為A七;左右敏感柵中心與右左敏感柵中心的距離為A X 2，右左敏感柵 中心與右右敏感柵中心距離為Ax3，左左敏感柵中心與右左敏感柵中心的距離為Ax4 = 八七+八知，左右敏感柵中心與右右敏感柵中心距離為八&=八12+八&，左左敏感柵中心與 右右敏感柵中心距離為Ax6=Axi+Axjj+Axp
[0037] 本實施例的可測量表面應變軸向偏導的軸向偏差全橋雙叉指型金屬應變片，包括 一個基底1，按圖2的左右次序有左左敏感柵2,左右敏感柵3,右左敏感柵4,右右敏感柵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之上可固定左左敏感概2,左右敏感概3,右左敏感概4和右右敏感概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變準確地傳遞 到左左敏感柵2,左右敏感柵3,右左敏感柵4和右右敏感柵5?；?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變片定位的線條。
[0039] 蓋片用紙或者膠等材料制成，覆蓋于左左敏感柵2,左右敏感柵3,右左敏感柵4、 右右敏感柵5和基底1上，起防潮、防蝕、防損等作用的保護層。
[0040] 引線6用于連接敏感概和測量電路，左左敏感概2,左右敏感概3,右左敏感概4和 右右敏感柵5各有兩個引線6,對與箱式和膜式應變片，引線6與其所連接的左左敏感柵2， 左右敏感柵3,右左敏感柵4或右右敏感柵5聯(lián)為一體。左左敏感柵2的引腳為6-1和6-2， 左右敏感柵3的引腳為6-3和6-4,右左敏感柵