可測量單側(cè)片外軸向偏導(dǎo)的軸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，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(yīng)的變化。電阻應(yīng)變效應(yīng)的理論公式 如下： L
[0003] M.= p-~ (.1) S
[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] - = K--Κε (2) R L
[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械零件的表 面。當(dāng)傳感器中的彈性元件或被測機械零件受作用力產(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。
[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。如此便可實現(xiàn)在避開較難安放應(yīng)變片的目標(biāo)被測點一定距離處布置應(yīng)變片，而最終測 量到該目標(biāo)被測點處的應(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)變軸向偏導(dǎo)的可測量單側(cè)片外軸向偏導(dǎo)的軸向分布五敏感柵邊 叉指金屬應(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)變片位置的軸向一階偏導(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] -種可測量單側(cè)片外軸向偏導(dǎo)的軸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 固定所述五個敏感柵；
[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 述五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，與軸向垂直的方向為橫向；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，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；
[0018] 五個敏感柵中心之間在橫向上無偏差，在軸向上有偏差;五個敏感柵按敏感柵中 心位置的順序，沿軸向從左至右分別為疏甲敏感柵、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△ xa，中敏感柵中心與密甲敏感 柵中心之間距離也為Δ χΑ;疏乙敏感柵中心與中敏感柵中心之間距離為Δ xb，中敏感柵中心 與密乙敏感柵中心之間距離也為Δ xb，Δ xa> Δ xb ;疏甲敏感柵中心與疏乙敏感柵中心的距 離為Δ xi，密甲敏感柵中心與密乙敏感柵中心之間距離為Δ χ1; Δ xi= Δ χΑ-Δ χΒ;
[0019] 各敏感段軸線所確定平面上，左邊疏甲敏感柵與疏乙敏感柵之間呈叉指布置，右 邊密甲敏感柵和密乙敏感柵之間呈叉指布置；
[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，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，所述密甲敏感柵和密乙敏感柵的引腳均位于應(yīng)變片內(nèi)側(cè)。目的是減小 密甲敏感柵和密乙敏感柵到應(yīng)變片右側(cè)邊緣的距離。
[0023] 再進(jìn)一步，相對中敏感柵，密甲敏感柵和密乙敏感柵的敏感段軸向長度可較短而 橫向分布可較密。目的是減小密甲敏感柵和密乙敏感柵中心到應(yīng)變片右側(cè)邊緣的距離。
[0024] 在五個敏感柵之中，除了上述兩對敏感柵之間呈叉指布置，無其他敏感柵之間的 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。
[0025] 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) 的具體計算方法，f ( X，y )的X方向一階偏導(dǎo)數(shù)的數(shù)值計算方法如下：
[0026] 備 ~ -12f(xx,y) + lf{x2,y)] (3) ,(x2+2/;,.v)
[0027] 其中11 = 10+11，12 = 11+11，特別注意上式為(12+211，7)位置的一階偏導(dǎo)數(shù)值公式，該 式的截斷誤差較小為0