可測(cè)量單側(cè)片外橫向偏導(dǎo)的橫向分布五敏感柵邊叉指金屬應(yīng)變片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器領(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(shí),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]
(1)
[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(zhǎng)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(guò)程中,P、L、S三者都要發(fā)生變化,從而必然會(huì)引起金 屬材料電阻值的變化。當(dāng)金屬材料被拉伸時(shí),長(zhǎng)度增加,截面積減小,電阻值增加;當(dāng)受壓縮 時(shí),長(zhǎng)度減小,截面積增大,電阻值減小。因此,只要能測(cè)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(shí)可導(dǎo)出金屬材料電阻變化率公式
[0005]
(2)
[0006] 其中AR為電阻變動(dòng)量,AL為金屬材料在拉力或者壓力作用方向上長(zhǎng)度的變化 量,ε為同一方向上的應(yīng)變常常稱(chēng)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(cè)機(jī)械零件的表 面。當(dāng)傳感器中的彈性元件或被測(cè)機(jī)械零件受作用力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),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(shí),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(shí)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(chǎng)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(huì)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(cè)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(shí)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(guò)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(wú)法用應(yīng)變片在工件表 面直接測(cè)量到;
[0011] 第三,應(yīng)用彈性力學(xué)研究工件應(yīng)變時(shí),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(wú)法提供的。
[0012] 此外,對(duì)工件的某些部位,比如軸肩、零件邊緣處等位置,由于形狀尺寸的突變,其 應(yīng)變往往相應(yīng)存在比較大的變化。然而,正由于形狀尺寸的突變,使得該處較難安置一般的 應(yīng)變片,需要一種能測(cè)量應(yīng)變片偏邊緣甚至邊緣外側(cè)位置而不是正中位置應(yīng)變偏導(dǎo)的產(chǎn) 品。如此便可實(shí)現(xiàn)在避開(kāi)較難安放應(yīng)變片的目標(biāo)被測(cè)點(diǎn)一定距離處布置應(yīng)變片,而最終測(cè) 量到該目標(biāo)被測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變偏導(dǎo)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0013]為了克服已有的金屬應(yīng)變片無(wú)法檢測(cè)應(yīng)變偏導(dǎo)的不足,本發(fā)明提供一種既能測(cè)量 應(yīng)變更能有效檢測(cè)表面應(yīng)變橫向偏導(dǎo)的可測(cè)量單側(cè)片外橫向偏導(dǎo)的橫向分布五敏感柵邊 叉指金屬應(yīng)變片,特別是測(cè)量工件角落、邊緣等對(duì)應(yīng)變片有尺寸限制部位或者其他不宜布 置應(yīng)變片位置的橫向一階偏導(dǎo)。
[0014] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0015] -種可測(cè)量單側(cè)片外橫向偏導(dǎo)的橫向分布五敏感柵邊叉指金屬應(yīng)變片,包括基 底,所述金屬應(yīng)變片還包括五個(gè)敏感柵,每個(gè)敏感柵的兩端分別連接一引腳,所述基底上固 定所述五個(gè)敏感柵;
[0016]每一敏感柵包括敏感段和過(guò)渡段,所述敏感段的兩端為過(guò)渡段,所述敏感段呈細(xì) 長(zhǎng)條形,所述過(guò)渡段呈粗短形,所述敏感段的電阻遠(yuǎn)大于所述過(guò)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(guò)渡段的電阻變化值,所述過(guò)渡段的電阻變化值接 近于〇;
[0017]每個(gè)敏感段的所有橫截面形心構(gòu)成敏感段軸線(xiàn),該敏感段軸線(xiàn)為一條直線(xiàn)段,所 述五個(gè)敏感柵中各敏感段的軸線(xiàn)平行并且位于同一平面中,敏感段軸線(xiàn)所確定平面內(nèi),沿 所述敏感段軸線(xiàn)方向即軸向,與軸向垂直的方向?yàn)闄M向;每個(gè)敏感段上存在其兩側(cè)電阻值 相等的一個(gè)橫截面,取該截面形心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(gè)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;
[0018]五個(gè)敏感柵中心在軸向上無(wú)偏差,在橫向上有偏差;五個(gè)敏感柵按敏感柵中心位 置的順序,沿橫向從上至下依次為疏甲敏感柵、疏乙敏感柵、中敏感柵、密乙敏感柵和密甲 敏感柵。疏甲敏感柵中心與中敏感柵中心之間距離為△yA,中敏感柵中心與密甲敏感柵中 心之間距離也為ΔyA;疏乙敏感柵中心與中敏感柵中心之間距離為ΔyB,中敏感柵中心與密 乙敏感柵中心之間距離也為AyB,AyA>AyB;疏甲敏感柵中心與疏乙敏感柵中心的距離為 Ayi,密乙敏感柵中心與密甲敏感柵中心之間距離為Δy1;Δyi=AyA-AyB;
[0019]各敏感段軸線(xiàn)所確定平面上,上部疏甲敏感柵與疏乙敏感柵之間呈叉指布置,下 部密甲敏感柵和密乙敏感柵之間呈叉指布置,無(wú)其他敏感柵之間的叉指布置;
[0020] 疏甲敏感柵、疏乙敏感柵、中敏感柵、密乙敏感柵和密甲敏感柵的敏感段總電阻呈 5:5:12:7:7的比例關(guān)系,疏甲敏感柵、疏乙敏感柵、中敏感柵、密乙敏感柵和密甲敏感柵的 敏感段在相同的應(yīng)變下敏感段的總電阻變化值也呈5:5:12:7:7的比例關(guān)系。
[0021 ]進(jìn)一步,每個(gè)敏感段的所有橫截面形狀尺寸一致,取每個(gè)敏感段的軸線(xiàn)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),所述疏甲敏感柵、疏乙敏感 柵、中敏感柵、密乙敏感柵和密甲敏感柵的敏感段總長(zhǎng)度呈5:5:12:7:7的比例關(guān)系。該方案 為一種可以選擇的方案,名義質(zhì)點(diǎn)的位置只要符合其兩側(cè)電阻值相等的橫截面形心位置即 可,也可以是其他位置。
[0022]在五個(gè)敏感柵之中,除了上述兩對(duì)敏感柵之間呈叉指布置,無(wú)其他敏感柵之間的 叉指布置。所述叉指布置是指:兩敏感柵的各敏感段軸線(xiàn)所在平面上,在與敏感段軸線(xiàn)垂直 方向上兩敏感柵的敏感段錯(cuò)落分布,對(duì)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。
[0023]利用金屬材料電阻變化值與應(yīng)變之間的線(xiàn)性關(guān)系,本應(yīng)變片正如普通應(yīng)變片那樣 可以用于測(cè)量應(yīng)變。另一方面,依據(jù)數(shù)值微分理論中(如依馮康等編、國(guó)防工業(yè)出版社1978 年12月出版的《數(shù)值計(jì)算方法》21頁(yè)(1.4.11)-(1.4.14)式作等距插值分析)關(guān)于一階偏導(dǎo) 的具體計(jì)算方法,f(X,y)的y方向一階偏導(dǎo)數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法如下:
[0024]
[0025]其中71=7〇+11,72= 71+11,特別注意上式為(1,72+211)位置的一階偏導(dǎo)數(shù)值公式,該 式的截?cái)嗾`差較小為〇(h2)即為步長(zhǎng)平方的高階無(wú)窮小量。由式(2)工程上一般認(rèn)為敏感柵 電阻變化量正比與敏感柵中心的應(yīng)變,結(jié)合各敏感柵電阻以及在相同應(yīng)變下之電阻變