可測量雙側(cè)偏置敏感柵外側(cè)橫向偏導(dǎo)的橫向分布六敏感柵全橋金屬應(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，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六者都要發(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]
(2)
[0006] 其中AR為電阻變動量，AL為金屬材料在拉力或者壓力作用方向上長度的變化 量，ε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)，比如下面有六種場合，但不限于此 六，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，截面彎矩的軸向一階偏導(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)變的軸向一階偏導(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。
[0012] 此外，對工件的某些部位，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)在避開較難安放應(yīng)變片的目標(biāo)被測點(diǎn)一定距離處布置應(yīng)變片，而最終測 量到該目標(biāo)被測點(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)變片無法檢測應(yīng)變偏導(dǎo)的不足，本發(fā)明提供一種既能測量 應(yīng)變更能有效檢測表面應(yīng)變橫向偏導(dǎo)的可測量雙側(cè)偏置敏感柵外側(cè)橫向偏導(dǎo)的橫向分布 六敏感柵全橋金屬應(yīng)變片，特別是測量工件角落、邊緣等對應(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)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0015] -種可測量雙側(cè)偏置敏感柵外側(cè)橫向偏導(dǎo)的橫向分布六敏感柵全橋金屬應(yīng)變片， 包括基底，所述金屬應(yīng)變片還包括六個敏感柵，每個敏感柵的兩端分別連接一根引腳，所述 基底上固定所述六個敏感柵；
[0016] 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;
[0017] 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，所 述六個敏感柵中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；每個敏感段上存在其兩側(cè)電阻值 相等的一個橫截面，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] 六個敏感柵中心在軸向上無偏差，在橫向上有偏差；各敏感柵按敏感柵中心位置 的順序，沿橫向從上至下依次為上五敏感柵、上三敏感柵、中上敏感柵、中下敏感柵、下三敏 感柵和下五敏感柵;上五敏感柵中心與中上敏感柵中心之間距離為A yi，中上敏感柵中心 與下三敏感柵中心之間距離也為Δ yi;上三敏感柵中心與中下敏感柵中心之間距離為Δ yi， 中下敏感柵中心與下五敏感柵中心之間距離也為Δ yi;上五敏感柵中心與上三敏感柵中心 的距離為Ay2，中上敏感柵中心與中下敏感柵中心的距離為Ay 2，下三敏感柵中心與下五敏 感柵中心之間距離為Ay2;
[0019] 上五敏感柵、上三敏感柵、中上敏感柵、中下敏感柵、下三敏感柵和下五敏感柵的 敏感段總電阻呈5:3:8:8:3:5的比例關(guān)系，上五敏感柵、上三敏感柵、中上敏感柵、中下敏感 柵、下三敏感柵和下五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5:3:8: 8:3:5的比例關(guān)系。
[0020] 據(jù)此，串聯(lián)上五敏感柵和下三敏感柵、中上敏感柵、串聯(lián)上三敏感柵和下五敏感 柵、中下敏感柵正好構(gòu)成測量電橋的四個橋臂。
[0021 ]進(jìn)一步，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)，所述上五敏感柵、上三敏感 柵、中上敏感柵、中下敏感柵、下三敏感柵和下五敏感柵的敏感段總長度呈5:3 :8:8:3:5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]更進(jìn)一步，各敏感段軸線所確定平面上，上五敏感柵與上三敏感柵呈叉指布置，中 上敏感柵和中下敏感柵呈叉指布置，下三敏感柵與下五敏感柵呈叉指布置，而無其他叉指 布置情況；當(dāng)然，上五敏感柵與上三敏感柵也可以呈非叉指布置，中上敏感柵和中下敏感柵 也可以呈非叉指布置，下三敏感柵與下五敏感柵也可以呈非叉指布置，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。
[0023]再進(jìn)一步，上五敏感柵的兩個引腳的上緣與上五敏感柵最上方敏感段的橫向距離 很小或者甚至引腳上緣位于上五敏感柵最上方敏感段的下方，而下五敏感柵的兩個引腳的 下緣與下五敏感柵最下方敏感段的橫向距離很小或者甚至引腳下緣位于下五敏感柵最下 方敏感段的上方。目的是減小上五敏感柵中心到應(yīng)變片上側(cè)邊緣的距離以及下五敏感柵中 心到應(yīng)變片下側(cè)邊緣的距離。
[0024] 利用金屬材料電阻變化值與應(yīng)變之間的線性關(guān)系，本應(yīng)變片正如普通應(yīng)變片那樣 可以用于測量應(yīng)變。另一方面，依據(jù)數(shù)值微分理論中（如依馮康等編、國防工業(yè)出版社1978 年12月出版的《數(shù)值計(jì)算方法》21頁（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：
[0025]
[0026]其中71 = 7〇+11，72 = 71+11，特別注意上式為(1，72+11)位置的一階偏導(dǎo)數(shù)值