可測量雙側(cè)偏置敏感柵外側(cè)橫向偏導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，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：
[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)生機械變形的過程中，P、L、S五者都要發(fā)生變化，從而必然會引起金 屬材料電阻值的變化。當金屬材料被拉伸時，長度增加，截面積減小，電阻值增加；當受壓縮 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)和材料力學等相關(guān)知識可導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)變的偏導數(shù)，比如下面有五種場合，但不限于此 五，需要用到工件表面應(yīng)變偏導數(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)變片的目標被測點一定距離處布置應(yīng)變片，而最終測 量到該目標被測點處的應(yīng)變偏導。

【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)變橫向偏導的可測量雙側(cè)偏置敏感柵外側(cè)橫向偏導的橫向分布 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)變片位置的橫向一階偏導。
[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 長條形，所述過渡段呈粗短形，所述敏感段的電阻遠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] 五個敏感柵中心在軸向上無偏差，在橫向上部分存在有偏差;各敏感柵按敏感柵 中心位置的順序，沿橫向從上至下，首先為上五敏感柵和上三敏感柵，然后是中敏感柵，最 后是下三敏感柵和下五敏感柵;上五敏感柵中心與上三敏感柵中心的距離為〇，上五敏感柵 中心與中敏感柵中心的距離為Δ yi，中敏感柵中心與下五敏感柵中心的距離為Δ yi，下五敏 感柵中心與下三敏感柵中心的距離為0,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，下三敏感柵與下五敏感柵呈叉指布置；
[0019] 上五敏感柵、上三敏感柵、中敏感柵、下三敏感柵和下五敏感柵的敏感段總電阻呈 5:3:8:3:5的比例關(guān)系，上五敏感柵、上三敏感柵、中敏感柵、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5:3:8:3:5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，所述上五敏感柵、上三敏感 柵、中敏感柵、下三敏感柵和下五敏感柵的敏感段總長度呈5 :3:8:3:5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] 五個敏感柵中，上五敏感柵與上三敏感柵呈叉指布置，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;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] 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 的具體計算方法，f( X，y )的y方向一階偏導數(shù)的數(shù)值計算方法如下：
[0023]
[0024]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)工程上三般認為敏感柵電 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;上五敏感柵與下三敏感柵的電阻和減去中敏感柵的電阻值，再除以上五敏感柵 中心與下三敏感柵中心的距離為應(yīng)變的橫向一階數(shù)值偏導，按照數(shù)值微分理論這是上五敏 感柵中心向上方h距離處的橫向一階數(shù)值偏導，這里的h當然等于上五敏感柵中心到中敏感 柵中心之間的距離，故所測不是應(yīng)變片中部的而是偏上部或者上邊緣之外的橫向一階偏 導；同樣，下五敏感柵與上三敏感柵的電阻和減去中敏感柵的電阻值，再除以下五敏感柵中 心與上三敏感柵中心的距離為應(yīng)變的橫向一階數(shù)值偏導，按照數(shù)值微分理論這是下五敏感 柵中心向下方h距離處的橫向一階數(shù)值偏導，這里的h當然等于下五敏感柵中心到中敏感柵 中心之間的距離，故所測不是應(yīng)變片中部的而是偏下方或者下邊緣之外的橫向一階偏導。 通過測量電路可對中敏感柵分時復用，可幾乎同時測量上述兩處位置的橫向一階偏導。因 此該應(yīng)變片的優(yōu)勢在于其上下兩側(cè)均可測量工件角落、邊緣等一般應(yīng)變片由于尺寸限制無 法測量的部位的橫向一階偏導。
[0025] 在工藝上應(yīng)注意保持上五敏感柵、上三敏感柵、中敏感柵、下三敏感柵和下五敏感 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5:3:8:3:5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。
[0026] 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。
[0027] 再進一步，所述敏感柵為絲式、箱式、薄膜式或厚膜式敏感柵。
[0028] 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。
[0029] 所述