可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指金屬應(yīng)變片的制作方法
【專利摘要】一種可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指金屬應(yīng)變片，包括基底和固定其上的三個敏感柵，每一敏感柵包括敏感段和過渡段，所有敏感段的軸線為直線、平行布置并且在同一個平面內(nèi)；在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；三個敏感柵中心軸向上有偏差，橫向上無偏差；三個敏感柵按敏感柵中心位置的順序，沿軸向從左至右分別稱為左敏感柵、中敏感柵和右敏感柵；前兩、后兩敏感柵分別呈叉指布置；左敏感柵、中敏感柵和右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呈3：8：5。本發(fā)明能檢測右敏感柵右外測至右敏感柵中心等于中、右兩敏感柵中心間距處的應(yīng)變軸向一階偏導(dǎo)。
【專利說明】
可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指金 屬應(yīng)變片
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：
[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
[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)的可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏 感柵叉指金屬應(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] -種可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指金屬應(yīng)變片，包括 基底，所述金屬應(yīng)變片還包括三個敏感柵，每個敏感柵的兩端分別連接一根引腳，所述基底 上固定所述三個敏感柵；
[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 述三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] 三個敏感柵中心在軸向上有偏差，在橫向上無偏差;三個敏感柵按敏感柵中心位 置的順序，沿軸向從左至右分別稱為左敏感柵、中敏感柵和右敏感柵;左敏感柵中心與中敏 感柵中心的距離為△ X1，中敏感柵中心與右敏感柵中心的距離為△ X1，各敏感段軸線所確定 平面上，左敏感柵與中敏感柵呈叉指布置，中敏感柵與右敏感柵呈叉指布置；
[0019] 左敏感柵、中敏感柵和右敏感柵的敏感段總電阻呈3:8:5的比例關(guān)系，左敏感柵、 中敏感柵和右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3:8:5的比例關(guān) 系。
[0020] 進一步，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，所述左敏感柵、中敏感柵和 右敏感柵的敏感段總長度呈3:8:5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。
[0021 ]更進一步，所述左敏感柵與右敏感柵呈叉指布置；當(dāng)然，也可以非叉指布置。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。
[0022] 再進一步，右敏感柵的兩個引腳位于應(yīng)變片右側(cè)或應(yīng)變片左側(cè)。排在右側(cè)使得應(yīng) 變片橫向尺寸較小，而排在左側(cè)可以減小右敏感柵中心到應(yīng)變片右側(cè)邊緣的距離。
[0023] 更進一步，相對中敏感柵，右敏感柵的敏感段軸向長度可較短而橫向分布可較密。 目的是減小右敏感柵中心到應(yīng)變片右側(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 ]其中XI = xo+h，X2 = :xi+h，特別注意上式為(X2+h，y)位置的一階偏導(dǎo)數(shù)值公式，該式 的截斷誤差較小為〇(h2)即為步長平方的高階無窮小量。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)變下之電阻變化量的 比例關(guān)系，左敏感柵與右敏感柵的電阻和減去中敏感柵的電阻值，再除以左敏感柵中心與 右敏感柵中心的距離為應(yīng)變的軸向一階數(shù)值偏導(dǎo);特別的，這是右敏感柵中心向右側(cè)h距離 處的軸向一階數(shù)值偏導(dǎo)，因此該應(yīng)變片的優(yōu)勢在于測量工件角落、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)。
[0027] 在工藝上應(yīng)注意保持左敏感柵、中敏感柵和右敏感柵過渡段總電阻以及過渡段電 阻在外部應(yīng)變下之變化量呈3:8:5的數(shù)值關(guān)系以調(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。
[0028] 進一步，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。
[0029] 再進一步，所述敏感柵為絲式、箱式、薄膜式或厚膜式敏感柵。
[0030] 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。 [0031]所述三個敏感柵左、中、右布置在基底上。當(dāng)然，也可以為其他的布置方式。
[0032] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：：能檢測右敏感柵中心右外側(cè)一處的應(yīng)變軸向一 階偏導(dǎo)，橫向上該處與右敏感柵中心無偏差，軸向上該處與右敏感柵中心的間距等于中敏 感柵中心與右敏感柵中心的間距。因此本發(fā)明可測量工件角落、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)。
【附圖說明】
[0033] 圖1是可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指金屬應(yīng)變片的示 意圖。
[0034] 圖2是可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指金屬應(yīng)變片俯視 圖。
[0035] 圖3為右敏感柵引腳排布于左側(cè)的可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三 敏感柵叉指金屬應(yīng)變片俯視圖。
[0036] 圖4是測量電橋示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0038]參照圖1~圖4,一種可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指金 屬應(yīng)變片，包括基底，所述金屬應(yīng)變片還包括三個敏感柵，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三個敏感柵；
[0039] 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;
[0040] 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 述三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；
[0041 ]三個敏感柵中心在軸向上有偏差，在橫向上無偏差;三個敏感柵按敏感柵中心位 置的順序，沿軸向從左至右分別稱為左敏感柵、中敏感柵和右敏感柵;左敏感柵中心與中敏 感柵中心的距離為△ X1，中敏感柵中心與右敏感柵中心的距離為△ X1，各敏感段軸線所確定 平面上，左敏感柵與中敏感柵呈叉指布置，中敏感柵與右敏感柵呈叉指布置;左敏感柵、中 敏感柵和右敏感柵的敏感段總電阻呈3:8:5的比例關(guān)系，左敏感柵、中敏感柵和右敏感柵的 敏感段在相同的應(yīng)變下敏感段的總電阻變化值也呈3:8:5的比例關(guān)系。
[0042] 進一步，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，所述左敏感柵、中敏感柵和 右敏感柵的敏感段總長度呈3:8:5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。
[0043] 更進一步，所述左敏感柵與右敏感柵呈叉指布置；當(dāng)然，也可以非叉指布置。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。
[0044] 再進一步，右敏感柵的兩個引腳可位于應(yīng)變片右側(cè)或應(yīng)變片左側(cè)。排在右側(cè)使得 應(yīng)變片橫向尺寸較小，而排在左側(cè)可以減小右敏感柵中心到應(yīng)變片右側(cè)邊緣的距離，如圖 4〇
[0045] 本實施例的可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指金屬應(yīng)變 片，包括基底1，所述金屬應(yīng)變片還包括三個敏感柵，每個敏感柵的兩端分別連接一根引腳， 所述基底1上固定所述三個敏感柵。
[0046] 基底1之上可固定左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4,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、中敏感柵3 和右敏感柵4。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。
[0047] 蓋片用紙或者膠等材料制成，覆蓋于左敏感柵2、中敏感柵3、右敏感柵4和基底1 上，起防潮、防蝕、防損等作用的保護層。
[0048] 引腳5用于連接敏感柵和測量電路，左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4各有兩個 引腳5,對與箱式和膜式應(yīng)變片，引腳5與其所連接的左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4聯(lián) 為一體。左敏感柵2的兩個引腳為5-1和5-2，中敏感柵3的兩個引腳為5-3和5-4，右敏感柵4 的兩個引腳為5-5和5-6;引腳5-5和5-6可排布于應(yīng)變片的右側(cè)，見圖1和圖2，可獲得較小的 應(yīng)變片橫向尺寸；引腳5-5和5-6也可排布于應(yīng)變片的左側(cè)，見圖3,目的是減小右敏感柵4到 應(yīng)變片右側(cè)邊緣的距離。
[0049] 左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4按照其金屬敏感材料和加工工藝的不同，可以 為絲式、箱式、薄膜式、厚膜式。無論何種左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4的厚度均很小， 使得左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4的軸向長度隨其所依附工件的形變而變化。本發(fā)明 基本的關(guān)鍵之處在于左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4之間的配合，有如下要點：
[0050] 第一，在基底上布置三個敏感柵，分別稱為左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4。 [0051 ]第二，左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4均可分為多個敏感段6和多個過渡段7， 各過渡段7將各敏感段6連接形成敏感柵。比較而言，敏感段6呈細(xì)長形，電阻較大并且其阻 值對應(yīng)變較為敏感;所述過渡段7基本呈粗短形，使得所述過渡段的電阻很小并且對應(yīng)變不 敏感，工作狀態(tài)下電阻變化接近于〇,因此敏感段電阻的總和基本為單個敏感柵的總電阻。 圖2從更清晰的角度更詳細(xì)地標(biāo)出了敏感段6和過渡段7。
[0052]第三，每個敏感柵的敏感段6呈細(xì)長條狀，每個敏感段6的所有橫截面形心構(gòu)成敏 感段軸線，該敏感段6軸線為一條直線段，各敏感段6的軸線平行并且位于同一平面中。每個 敏感段6的所有橫截面沿敏感段軸線方向的投影形狀一致。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。
[0053]第四，左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4的敏感段6總長度呈3:8:5的比例關(guān)系， 左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4的敏感段6總電阻呈3:8:5的比例關(guān)系，左敏感柵2、中敏 感柵3和右敏感柵4的敏感段6在相同的應(yīng)變下敏感段的總電阻變化值也呈3:8:5的比例關(guān) 系。
[0054]第五，俯視左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4,它們均具有對稱軸且對稱軸重合 (圖2中的X軸），左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4各自的敏感段6全都與該對稱軸平行，各 敏感柵的敏感段6均關(guān)于此軸對稱分布。因此，可以說左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4同 軸，即檢測同方向的應(yīng)變并且左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4的中心位置均在X軸上，它 們的中心有軸向偏差無橫向偏差。根據(jù)圖2中應(yīng)變片的俯視圖，左敏感柵2的敏感段6有橫向 對稱軸#，左敏感柵2的中心在X軸與η軸的交點，中敏感柵3的敏感段6有橫向?qū)ΨQ軸yM，中 敏感柵3的中心在X軸與y M軸的交點，右敏感柵4的敏感段6有橫向?qū)ΨQ軸yR，右敏感柵4的中 心在X軸與yR軸的交點。
[0055] 第六，左敏感柵2中心與中敏感柵3中心的距離為Δ X1，中敏感柵3中心與右敏感柵 4中心的距離為Δ X1，即左敏感柵2的中心與右敏感柵4的中心的連線中點也為X軸與yM軸的 交點，如圖2所示。按圖2,各敏感段6軸線所確定平面上，左敏感柵2與中敏感柵3呈叉指布 置，中敏感柵3與右敏感柵4呈叉指布置，左敏感柵2與右敏感柵4呈可以叉指布置也可相反； 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。
[0056] 由于左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4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，這也是本發(fā)明能檢測工件應(yīng)變軸向偏導(dǎo)數(shù)的關(guān)鍵之一。
[0057]綜上所述，本發(fā)明左敏感柵2、中敏感柵3和右敏感柵4在相同應(yīng)變下電阻變化值呈 3:8:5的比例關(guān)系，各敏感柵中心橫向無偏差軸向有偏差、左敏感柵2中心到中敏感柵3中心 的距離與中敏感柵3中心到右敏感柵4的距離相等。
[0058] 令自由狀態(tài)下左敏感柵2電阻為RLQ，中敏感柵3電阻為Rmq，右敏感柵4電阻為Rro，應(yīng) 有Rlo+Rro = Rmo = Ro。將本發(fā)明的應(yīng)變片安置于某有表面應(yīng)變時，左敏感柵2電阻為R〇+ Λ Rl， 中敏感柵3電阻為Ro+Δ RMQ，右敏感柵3電阻為Ro+Δ Rr;另一方面，左敏感柵2以及右敏感柵4 的中心分別位于圖2中X軸與yL的交點以及X軸與yR的交點，軸向上相距2 △ XI。設(shè)J為右敏感 柵4中心右側(cè)ΔΧ1&，也就是圖2中X軸與yQ的交點，利用敏感柵電阻與表面應(yīng)變的關(guān)系以及 數(shù)值微分的公式(3)有：
[0060]其中^為左敏感柵2中心處的應(yīng)變，為中敏感柵3中心處的應(yīng)變，eR為右敏感柵4 中心處的應(yīng)變。這即是本實施例測量表面應(yīng)變軸向偏導(dǎo)的原理。特別注意，上式所計算的數(shù) 值微分為右敏感柵4中心偏外側(cè)ΔΧ1位置的應(yīng)變軸向一階偏導(dǎo)，該位置根據(jù)叉指尺寸的不 同可處于應(yīng)變片的右部、右側(cè)邊緣、甚至邊緣外側(cè)，因此具有便于測量工件角落處、邊緣處 等對應(yīng)變片有尺寸限制部位的軸向一階偏導(dǎo)的優(yōu)勢。右敏感柵4的引腳5-5和5-6按圖3可布 置于應(yīng)變片左側(cè)，其目的均在于盡量縮小右敏感柵4中心到應(yīng)變片右側(cè)邊緣的距離，以便于 進一步發(fā)揮上述優(yōu)勢。
[0061 ]將本實施例配合電橋可用于測量應(yīng)變、應(yīng)變軸向一階偏導(dǎo)，假設(shè)電橋輸入電壓為 m、輸出電壓為u。，測量電橋的示意圖見圖4。在無工件應(yīng)變作用時，電橋各橋臂電阻依順時 針方向分別標(biāo)記為心、1?2、1? 3、1?4，在不會混淆的情況下也用這些符號標(biāo)記電阻所在電橋。每 個電橋上可以安放應(yīng)變片的敏感柵或者電阻。與一般的應(yīng)變片布置相同，如果在多個橋臂 上安置敏感柵，對各安置位置的次序、應(yīng)變有定性的要求。無工件應(yīng)變作用時，電橋的輸出 電壓公式為
[0063] 此時，要求電橋平衡也就是11。= 0,于是必須滿足所謂電橋平衡條件RlR3-R2R4 = 0， 采用的電橋進一步滿足 [0064] Ri = R2 = R3 = R4, (6) 因為，第一，滿足條件(6)時，根據(jù)有關(guān)理論應(yīng)變片靈敏度最高;第二，測量應(yīng)變或者應(yīng) 變軸向偏導(dǎo)的方法均要求條件(6)成立。當(dāng)應(yīng)變片隨外界應(yīng)變也發(fā)生應(yīng)變時，上述電橋平衡 條件一般不再成立，此時
[0066]由于六心<<1^(1 = 1，2,3,4)故第一個》成立，第二個》當(dāng)&1?1-&1?2與&1? 3-厶1?4 同號或者異號但I ARi-Afel與I AR3-AR4|不十分接近時成立，在工程上合理選擇應(yīng)變片 安置位置完全可以實現(xiàn)。一般可用式（7)獲取的電壓測量應(yīng)變;對應(yīng)變軸向偏導(dǎo)可結(jié)合式 (4)和式(7)，合理地設(shè)計安排各橋臂敏感柵和電阻，例如橋臂辦布置中敏感柵3,橋臂R2串聯(lián) 布置左敏感柵2和右敏感柵4，其余橋臂配置與橋臂辦等值的電阻，可獲得與右敏感柵4中心 偏外側(cè)A ^位置應(yīng)變軸向一階偏導(dǎo)呈線性關(guān)系的電壓值u。，該電壓為微弱信號需進行放大。
【主權(quán)項】
1. 一種可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指金屬應(yīng)變片，包括基 底，其特征在于:所述金屬應(yīng)變片還包括三個敏感柵，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三個敏感柵； 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 0； 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，所述三 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； 三個敏感柵中心在軸向上有偏差，在橫向上無偏差;三個敏感柵按敏感柵中心位置的 順序，沿軸向從左至右分別稱為左敏感柵、中敏感柵和右敏感柵;左敏感柵中心與中敏感柵 中心的距離為△ X1，中敏感柵中心與右敏感柵中心的距離為△ X1，各敏感段軸線所確定平面 上，左敏感柵與中敏感柵呈叉指布置，中敏感柵與右敏感柵呈叉指布置； 左敏感柵、中敏感柵和右敏感柵的敏感段總電阻呈3:8:5的比例關(guān)系，左敏感柵、中敏 感柵和右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3:8:5的比例關(guān)系。2. 如權(quán)利要求1所述的可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指金屬 應(yīng)變片，其特征在于: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，所述左敏感柵、中敏感柵 和右敏感柵的敏感段總長度呈3:8:5的比例關(guān)系。3. 如權(quán)利要求1或2所述的可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指 金屬應(yīng)變片，其特征在于:所述左敏感柵與右敏感柵呈叉指布置。4. 如權(quán)利要求1或2所述的可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指 金屬應(yīng)變片，其特征在于:右敏感柵的兩個引腳位于應(yīng)變片右側(cè)或應(yīng)變片左側(cè)。5. 如權(quán)利要求1或2所述的可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指 金屬應(yīng)變片，其特征在于:相對中敏感柵，右敏感柵的敏感段軸向長度可較短而橫向分布可 較密。6. 如權(quán)利要求1或2所述的可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指 金屬應(yīng)變片，其特征在于: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。7. 如權(quán)利要求1或2所述的可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指 金屬應(yīng)變片，其特征在于:所述敏感柵為絲式、箱式、薄膜式或厚膜式敏感柵。8. 如權(quán)利要求1或2所述的可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指 金屬應(yīng)變片，其特征在于: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。9. 如權(quán)利要求1或2所述的可測量偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導(dǎo)的軸向偏差三敏感柵叉指 金屬應(yīng)變片，其特征在于:所述三個敏感柵左、中、右布置在基底上。
【文檔編號】G01B7/16GK105865321SQ201510885213
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年12月4日
【發(fā)明人】張端
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)