本實用新型屬于傳感技術領域，具體涉及一種在變溫，尤其是有溫度梯度，環(huán)境下精確測量應力或應變的應變計。

背景技術：

應變計在結(jié)構(gòu)應力測量及制作各種物理量(力、重力、壓力、位移、加速度及扭矩)傳感器等方面獲得了廣泛的應用，現(xiàn)代應變計技術普及于航天、航空、原子能、化工、機械、建筑、交通運輸以及生物工程等各個領域。然而，大部分應變計對溫度都非常敏感，且由溫度引起的干擾輸出(溫度效應)和應變輸出量大致在一個數(shù)量級內(nèi)。最常用的溫度補償方式是使用至少兩個相同的應變計組建Wheatstone電橋；另一種方式則是在應變計附近布置溫度傳感器，并根據(jù)溫度傳感器的數(shù)據(jù)對應變計的輸出進行修正。在工程應用中，這兩種方法也可結(jié)合起來使用。

但上述方法僅在固定溫度環(huán)境才有較好的溫度補償效果。在變溫環(huán)境，尤其是有溫度梯度的情況下，各分立元件因存在一定的溫差，故會導致較大的零點漂移和測量誤差。例如，在進行高超聲速風洞試驗時，高溫氣體會加熱氣動模型并將熱量傳遞到模型內(nèi)部的應變天平上，由于每次試驗的模型攻角、氣體溫度、氣體流量等均可能不同，故應變天平的溫度及溫度梯度都會變化。在此種情況下，上述的兩種溫度補償方法都不能很好的抑制應變計的溫度效應。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種溫度自補償型應變計，該類應變計能夠克服上述方法的缺陷并且能夠通過自身結(jié)構(gòu)對溫度效應進行自補償；該類應變計能夠直接輸出與應變成比例的電壓信號；應變計材料本身的電阻溫度效應，以及應變計與測試件間的溫度膨脹系數(shù)差異，均與該類應變計的輸出無關，即該類應變計的輸出僅與測試件的應變相關。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術方案：

一種溫度自補償應變計，包括基底及基底上相互正交設置的四個電極和四個敏感柵，所述的四個敏感柵由四個尺寸相同、厚度均勻且各向同性的敏感柵箔材構(gòu)成；所述的四個敏感柵相互連接構(gòu)成Wheatstone電橋，電橋中兩個相鄰敏感柵構(gòu)成一路電流通道，四個敏感柵相互連接構(gòu)成四路電流通道；所述的四路電流通道分別與四個電極連接。

所述的四個敏感柵均為正方形，并且相互連接組成正方形的形狀。

所述的四個敏感柵均為扇形，并且相互連接組成圓形的形狀。

所述的電極和敏感柵通過粘貼、濺射、沉積、離子注入或擴散的方式設置在所述的基底上。

一種溫度自補償應變計，包括基底及基底上設置的兩層敏感柵，每層敏感柵含有兩個敏感電阻，兩層敏感柵間由一層絕緣層隔開；所述的四個敏感電阻的尺寸相同且由相同的敏感柵箔材制成；所述的兩層敏感柵交錯90°疊加，并且在空間上能夠完全重合。

一種溫度自補償應變計，包括基底及基底上設置的四層敏感柵，每層敏感柵含有一個敏感電阻，每兩層敏感柵之間由一層絕緣層隔開；所述的四個敏感電阻的尺寸相同且由相同的敏感柵箔材制成；所述的四層敏感柵交錯90°疊加，并且在空間上能夠完全重合。

以上所述的敏感柵箔材為金屬應變電阻合金、半導體材料或金屬氧化物。

本實用新型的顯著效果在于：

1.無需復雜的溫度補償手段，僅通過加工工藝和材料的一致性以達到很好的溫度補償效果；

2.由于其自身可以補償溫度影響，故敏感柵材料的選擇不受材料本身的溫度特性限制；

3.制作工藝簡單，由于僅改進了敏感柵結(jié)構(gòu)，故可以采用常規(guī)應變計的成熟制作工藝。

4.所述應變計可直接輸出電壓信號。

附圖說明

圖1為一種溫度自補償應變計的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1所示應變計的使用方法示意圖；

圖3為一種可用于測量壓力的圓形溫度自補償應變計結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為一種由兩層敏感結(jié)構(gòu)組成的溫度自補償應變計的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為一種由四層敏感結(jié)構(gòu)組成的溫度自補償應變計的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1.應變計基底，2.兩層敏感結(jié)構(gòu)間的絕緣層，3～5.四層敏感結(jié)構(gòu)間的絕緣層，10.引線電極，11.直流電壓源，12.電壓輸出信號檢測元件，12～15.另一種形狀的敏感柵，R1～R4.構(gòu)成片上Wheatstone電橋的四個敏感柵。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型所述的新型溫度自補償應變計作進一步詳細說明。

圖1為本實用新型的一種應變計結(jié)構(gòu)示意圖。應變計由應變計基底1、引線電極10和四個對稱分布的敏感柵R1～R4組成；制作引線電極10的材料可與敏感柵R1～R4相同，亦可選擇導電性能更好的材料；基底1上的引線電極10、敏感柵R1～R4等結(jié)構(gòu)可通過粘貼、濺射、沉積、離子注入、擴散等方式制作。敏感柵R1～R4尺寸相同，通過使用厚度均勻且各向同性的敏感柵箔材，敏感柵R1～R4的電阻值可以較好的滿足：

因此，本實用新型提出的應變計為一個單片應變計基底上制作四個等效電阻結(jié)構(gòu)以組成惠斯頓電橋的應變敏感器件。

所述的敏感柵箔材為金屬應變電阻合金、半導體材料或金屬氧化物中的一種。

在應變片構(gòu)成的電橋中，只有當R1×R3＝R2×R4時，電橋才平衡，但實際上各橋臂電阻之間不會完全相等(也可能由于應變片粘貼后電阻值略有變化引起的)，致使電橋在一開始就不能滿足平衡條件，因此有一個零位輸出。通過調(diào)節(jié)敏感柵R1～R4的電阻值大小，可以進一步的精細調(diào)節(jié)電橋平衡。調(diào)節(jié)方式可以采用去除部分敏感柵材料、增加補償電阻等方式。

應變計零點溫漂補償?shù)牡诙€條件是電阻溫度系數(shù)條件，即

α₁+α₃＝α₂+α₄ (2)

以保證在不同溫度點電橋均能保持平衡。

本實用新型提出的應變計上的四個敏感柵由同一批工藝在相鄰位置上制作而成，故通過加工工藝和材料的一致性可以保證條件(1)和條件(2)較好的實現(xiàn)。

圖2為該應變計的使用方法示意圖。直流電壓源11與應變計的兩片引線電極10連接，以使敏感柵R1和R4上形成一路電流通道而敏感柵R2和R3上形成另一路通道；電壓輸出信號檢測元件12，如電壓表，與應變計的另兩個電極10連接。當應變計上的電橋因應變導致失去平衡時，元件12將檢測出與應變相對應的電壓輸出信號。

在實際應變測量中，應變計需要通過粘貼等方式固定到測試件表面，以使得測試件受力產(chǎn)生的變形能夠傳遞到其上。當有溫度變化時，應變計沿四周產(chǎn)生均勻的應變，敏感柵R1～R4等比例的發(fā)生形變，公式(1)成立故而電橋保持平衡；當應變計沿箭頭A方向發(fā)生應變時，敏感柵R1和R3阻值增大，而敏感柵R2和R4的電阻值減小，公式(1)不再成立故而電橋不再平衡，此時元件12將檢測出與應變相對應的電壓輸出信號，且在一定應變范圍內(nèi)，輸出信號幅值正比于輸入應變量。由此可以看出，通過使用單片集成的全橋敏感結(jié)構(gòu)，本實用新型提出的應變計能夠在顯著抑制溫度效應的基礎上，準確的測量測試件上的應變。

圖3為一種圓形的溫度自補償型應變計，四個尺寸相同的敏感柵R1～R4呈扇形均勻分布在應變計基底1之上。敏感柵R2和R4用于檢測周向的應變，敏感柵R1和R3的電阻值變化與徑向的應變及其形狀和在基底1上所處位置有關。該種類型的應變計可用于檢測施加于其上的壓力。

圖4與圖1相比，主要的變化在于敏感結(jié)構(gòu)由兩層敏感柵組成。敏感柵R1和R4直接置于應變計基底1之上，而敏感柵R2和R3置于敏感柵R1和R4之上，兩層敏感柵之間由一層絕緣層2隔開。絕緣層2擁有良好的電學絕緣性能且厚度很薄。敏感柵R1～R4尺寸相同且由相同的材料制成。兩層敏感柵在空間上能夠完全疊加，以保證彼此的溫度一致性，從而進一步降低因溫度梯度導致的溫度效應。

圖5所示應變計由四層敏感柵R1～R4疊加在應變計基底1上組成，各層敏感柵之間由絕緣層3～5隔開。與圖1和圖4所示應變計結(jié)構(gòu)相比，敏感柵R1～R4之間的溫差進一步減小，故擁有更好的溫度補償效果。

本實用新型提出的應變計的溫度補償效果不會受到測試件和應變計本身的熱膨脹性能差異影響。測試件和應變計的熱膨脹導致應變計沿其平面產(chǎn)生均勻的形變，在這種均勻形變情況下電橋依然平衡。

因此本實用新型提出的應變計亦能夠通過自身的結(jié)構(gòu)自動補償因各材料的熱膨脹系數(shù)差異引起的溫度效應。此外，相比于其他形式的應變計，任何一個敏感柵上的溫度變化需要通過連接材料傳遞到測試件再傳遞到其他補償結(jié)構(gòu)或補償電路上，本實用新型提出的敏感柵R1～R4為一個整體，溫度變化導致的元件的性能變化能夠得到自身電橋的迅速補償，由于良好的熱傳導性能和很短的熱傳輸距離，這種補償過程會非常迅速。

本文所述敏感柵結(jié)構(gòu)僅為一種實施例，實際上有許多種敏感柵結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)本實用新型中的溫度自補償功能，凡是根據(jù)本實用新型技術實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本實用新型的保護范圍內(nèi)。