CN105091731A - 可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片 - Google Patents

Abstract

一种可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片，包括基底和两个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引出线，基底上固定所述两个敏感栅，每一敏感栅包括敏感段和过渡段，所有敏感段的轴线为直线、平行布置并且在同一个平面内；在敏感段轴线所确定平面内，沿所述敏感段轴线方向即轴向，与轴向垂直的方向为横向；两个敏感栅电阻一致，在相同应变下电阻变化量一致，沿轴向从左至右分别称为左敏感栅和右敏感栅；各敏感段轴线所确定平面上，左敏感栅与右敏感栅之间呈叉指布置。本发明既能测量应变更能有效检测表面应变轴向一阶偏导。

Description

可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其是一种金属应变片。

背景技术

金属电阻应变片的工作原理是电阻应变效应，即金属丝在受到应变作用时，其电阻随着所发生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化。电阻应变效应的理论公式如下:

$R=\mathrm{\ρ}\frac{L}{S}---\left(1\right)$

其中R是其电阻值，ρ是金属材料电阻率，L是金属材料长度，S为金属材料截面积。金属丝在承受应变而发生机械变形的过程中，ρ、L、S三者都要发生变化，从而必然会引起金属材料电阻值的变化。当金属材料被拉伸时，长度增加，截面积减小，电阻值增加；当受压缩时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此，只要能测出电阻值的变化，便可知金属丝的应变情况。由式(1)和材料力学等相关知识可导出金属材料电阻变化率公式

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=K\frac{\mathrm{\Δ}L}{L}=K\mathrm{\ϵ}---\left(2\right)$

其中ΔR为电阻变动量，ΔL为金属材料在拉力或者压力作用方向上长度的变化量，ε为同一方向上的应变常常称为轴向应变，K为金属材料应变灵敏度系数。

在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测机械零件的表面。当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引起应变片电阻发生相应的变化。这时，电阻应变片便将力学量转换为电阻的变化量输出。

但是有时我们也需要了解工件应变的偏导数，比如下面有三种场合，但不限于此三，需要用到工件表面应变偏导数：

第一，由于工件形状突变处附近会出现应变集中，往往成为工件首先出现损坏之处，监测形状突变处附近的应变偏导数，可直观的获取该处应变集中程度。

第二，建筑、桥梁、机械设备中受弯件大量存在，材料力学有关知识告诉我们，弯曲梁表面轴向应变与截面弯矩成正比，截面弯矩的轴向偏导数与截面剪应变成正比，也就是可以通过表面轴向应变的轴向偏导数获知截面剪应变，而该剪应变无法用应变片在工件表面直接测量到；

第三，应用弹性力学研究工件应变时，内部应变决定于偏微分方程，方程求解需要边界条件，而工件表面应变偏导数就是边界条件之一，这是一般应变片无法提供的。

发明内容

为了克服已有金属应变片无法检测应变偏导的不足，本发明提供一种既能测量应变更能有效检测表面应变轴向偏导的可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片，包括基底，所述金属应变片还包括两个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引出线，所述基底上固定所述两个敏感栅；

每一敏感栅包括敏感段和过渡段，所述敏感段的两端为过渡段，所述敏感段呈细长条形，所述过渡段呈粗短形，所述敏感段的电阻远大于所述过渡段的电阻，相同应变状态下所述敏感段的电阻变化值远大于所述过渡段的电阻变化值，所述过渡段的电阻变化值接近于0；

每个敏感段的所有横截面形心构成敏感段轴线，该敏感段轴线为一条直线段，各敏感段的轴线平行并且位于同一平面中，敏感段轴线所确定平面内，沿所述敏感段轴线方向即轴向，与轴向垂直的方向为横向；每个敏感段的所有横截面形状尺寸一致；取每个敏感段的轴线中点位置并以该敏感段电阻值为名义质量构成所在敏感段的名义质点，各个敏感段的名义质点共同形成的质心位置为敏感栅的中心；

两个敏感栅的敏感段总电阻一致，所述两个敏感栅在相同的应变下敏感段的总电阻变化值一致，两个敏感栅之中心位于一条直线上，该一条直线平行于两个敏感栅任何一条敏感段轴线，两个敏感栅沿此直线方向从左至右分别称为左敏感栅和右敏感栅；各敏感段轴线所确定平面上，左敏感栅与右敏感栅之间呈叉指布置；

两个敏感栅中心在轴向上有偏差，在横向上无偏差，左敏感栅中心与右敏感栅中心的距离为Δx。

本发明中，两个敏感栅之中心连线应与两个敏感栅任何一条敏感段轴线方向平行，为此称两个敏感栅同轴，两个敏感栅之中心的距离为Δx。Δx一般小于甚至远小于各敏感段的长度；所述叉指布置是指：两敏感栅的各敏感段轴线所在平面上，在与敏感段轴线垂直方向上两敏感栅的敏感段错落分布；对在该方向上两敏感栅之敏感段分别出现的次序和次数不做限制。利用金属材料电阻变化值与应变之间的线性关系，一方面，像普通应变片那样可以用于测量应变；另一方面，两敏感栅的电阻差与两个敏感栅之中心的距离之比反映了应变的轴向偏导。

在工艺上应注意保持各敏感栅过渡段总电阻以及过渡段电阻在外部应变下之变化量一致以调高测量精度，如果过渡段的电阻以及应变下电阻变化量不可忽略，也能作为系统误差在检测时加以消除。

进一步，所述金属应变片还包括盖片，所述盖片覆盖于所述敏感栅和基底上。

再进一步，所述敏感栅为丝式、箔式、薄膜式或厚膜式敏感栅。

更进一步，所述基底为胶膜基底、玻璃纤维基底、石棉基底、金属基底或临时基底。

所述两个敏感栅左右布置在基底上。当然，也可以为其他的布置方式。

本发明的有益效果主要表现在：不仅能测量工件表面应变，更能有效检测表面应变轴向偏导数。

附图说明

图1是可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片的示意图。

图2是可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片俯视图。

图3是测量电桥示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片，包括基底，所述金属应变片还包括两个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引出线，所述基底上固定所述两个敏感栅；

每一敏感栅包括敏感段和过渡段，所述敏感段的两端为过渡段，所述敏感段呈细长条形，所述过渡段呈粗短形，所述敏感段的电阻远大于所述过渡段的电阻，相同应变状态下所述敏感段的电阻变化值远大于所述过渡段的电阻变化值，所述过渡段的电阻变化值接近于0；

每个敏感段的所有横截面形心构成敏感段轴线，该敏感段轴线为一条直线段，各敏感段的轴线平行并且位于同一平面中，敏感段轴线所确定平面内，沿所述敏感段轴线方向即轴向，与轴向垂直的方向为横向；每个敏感段的所有横截面形状尺寸一致；取每个敏感段的轴线中点位置并以该敏感段电阻值为名义质量构成所在敏感段的名义质点，各个敏感段的名义质点共同形成的质心位置为敏感栅的中心；

两个敏感栅的敏感段总电阻一致，所述两个敏感栅在相同的应变下敏感段的总电阻变化值一致，两个敏感栅之中心位于一条直线上，该一条直线平行于两个敏感栅任何一条敏感段轴线，两个敏感栅沿此直线方向从左至右分别称为左敏感栅和右敏感栅；各敏感段轴线所确定平面上，左敏感栅与右敏感栅之间呈叉指布置；

两个敏感栅中心在轴向上有偏差，在横向上无偏差，左敏感栅中心与右敏感栅中心的距离为Δx。

本实施例的可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片，包括基底1，所述金属应变片还包括两个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引出线，所述基底1上固定所述两个敏感栅。

基底1之上可固定左敏感栅2和右敏感栅3，用于保持各敏感栅固定的形状、位置和尺寸；基底1很薄，从而将试件表面的应变准确地传递到左敏感栅2和右敏感栅3。基底1可以是胶膜基底、玻璃纤维基底、石棉基底、金属基底和临时基底。通常用黏结、焊接、陶瓷喷涂等方式将基底固定于测试件的被测部位。基底1上还可印有一些用于应变片定位的线条。

盖片用纸或者胶等材料制成，覆盖于左敏感栅2、右敏感栅3和基底1上，起防潮、防蚀、防损等作用的保护层。

引线4用于连接敏感栅和测量电路，左敏感栅2或右敏感栅3各有两个引线4，对与箔式和膜式应变片，引线4与其所连接的左敏感栅2或右敏感栅3联为一体。

左敏感栅2和右敏感栅3按照其金属敏感材料和加工工艺的不同，可以为丝式、箔式、薄膜式、厚膜式。无论何种左敏感栅2或右敏感栅3的厚度均很小，使得左敏感栅2和右敏感栅3的轴向长度随其所依附工件的形变而变化。本发明基本的关键之处在于左敏感栅2和右敏感栅3之间的配合，有如下要点：

第一，在基底上布置两个敏感栅，分别称为左敏感栅2、右敏感栅5。

第二，左敏感栅2和右敏感栅3均可分为多个敏感段5和多个过渡段6，各过渡段6将各敏感段5连接形成敏感栅。比较而言，敏感段5呈细长形，电阻较大并且其阻值对应变较为敏感；所述过渡段6基本呈粗短形，使得所述过渡段的电阻很小并且对应变不敏感，工作状态下电阻变化接近于0，因此敏感段电阻的总和基本为单个敏感栅的总电阻。图2从更清晰的角度更详细地标出了敏感段5和过渡段6。

第三，左敏感栅2和右敏感栅3的敏感段5横截面形状均相同，并且左敏感栅2和右敏感栅3各自敏感段5长度的总和相同。忽略过渡段6的电阻，左敏感栅2和右敏感栅3的总电阻都相等，并且两个敏感栅在相同的应变下敏感段总电阻变化量应一致。

第四，每个敏感栅的敏感段5呈细长条状，每个敏感段5的所有横截面形心构成敏感段轴线，该敏感段5轴线为一条直线段，各敏感段5的轴线平行并且位于同一平面中。每个敏感段5的所有横截面沿敏感段轴线方向的投影形状一致。取每个敏感段的轴线中点位置并以该敏感段电阻值为名义质量构成所在敏感段的名义质点，各个敏感段的名义质点共同形成的质心位置为敏感栅的中心。

第五，俯视左敏感栅2和右敏感栅3，它们均具有对称轴且对称轴重合(图2中的x轴)，左敏感栅2和右敏感栅3各自的敏感段5全都与该对称轴平行，各敏感栅的敏感段5均关于此轴对称分布。因此，可以说左敏感栅2和右敏感栅3同轴，即检测同方向的应变并且左敏感栅2和右敏感栅3的中心位置均在x轴上，它们的中心有轴向偏差无横向偏差。根据图2中应变片的俯视图，左敏感栅2的中心在x轴与y_L轴的交点，右敏感栅3的中心在x轴与y_R轴的交点。左敏感栅2的中心与右敏感栅3的中心的连线中点为x轴与y轴的交点。

第六，左敏感栅2和右敏感栅3叉指布置，两个敏感栅的中心位置均在同一对称轴x轴上。可以注意到，叉指布置造成的直接结果是左敏感栅2中心与右敏感栅3中心较为接近，轴向距离为Δx，如图2所示。由于左敏感栅2和右敏感栅3的相对位置由应变片生产工艺保证被相当精确地固定了，这也是本发明能检测工件应变轴向偏导数的关键之一。

综上所述，本发明左敏感栅2和右敏感栅3大小相等、方向同轴、距离甚近。

令自由状态下左敏感栅2电阻为R_L0，右敏感栅3电阻为R_R0，应有R_L0＝R_R0＝R₀。将本发明的应变片安置于某有应变表面时，左敏感栅2电阻为R₀+ΔR_L，右敏感栅3电阻为R₀+ΔR_R；另一方面，左敏感栅2以及右敏感栅3的中心分别位于图2中x轴与y_L的交点以及x轴与y_R的交点，轴向上相距Δx，所述轴向即为x轴。两左、右敏感栅中心处应变的不同造成了左敏感栅2与右敏感栅3电阻的不同。利用敏感栅电阻与表面应变的关系有：

$\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x}{|}_{x=\stackrel{\‾}{x}}=\underset{\mathrm{\Δ}x\→0}{\lim }\frac{{\mathrm{\ϵ}}_L-{\mathrm{\ϵ}}_R}{\mathrm{\Δ}x}\≈\frac{K({\mathrm{\ΔR}}_L-{\mathrm{\ΔR}}_R)}{\mathrm{\Δ}x}.---\left(3\right)$

其中为两敏感栅中心连线中点位置，ε_L为左敏感栅2中心处的应变，ε_R为右敏感栅3中心处的应变。这即是本实施例测量表面应变轴向偏导的原理。

将本实施例配合电桥可用于测量应变、应变轴向偏导，假设电桥输入电压为u_i、输出电压为u_o，测量电桥的示意图见图3。在无工件应变作用时，电桥各桥臂电阻依顺时针方向分别标记为R₁、R₂、R₃、R₄，在不会混淆的情况下也用这些符号标记电阻所在电桥。每个电桥上可以安放应变片的敏感栅或者电阻。与一般的应变片布置相同，如果在多个桥臂上安置敏感栅，对各安置位置的次序、应变有定性的要求。无工件应变作用时，电桥的输出电压公式为

$u_o=\frac{R_1{R}_3-R_2{R}_4}{(R_1+R_2)(R_3+R_4)}{u}_i;---\left(4\right)$

此时，要求电桥平衡也就是u_o＝0，于是必须满足所谓电桥平衡条件R₁R₃-R₂R₄＝0，采用的电桥进一步满足

R₁＝R₂＝R₃＝R₄，(5)

因为，第一，满足条件(5)时，根据有关理论应变片灵敏度最高；第二，测量应变或者应变轴向偏导的方法均要求条件(5)成立。当应变片随外界应变也发生应变时，上述电桥平衡条件一般不再成立，此时

$\begin{array}{c}{u}_o=\frac{\left(R_1+{\mathrm{\ΔR}}_1\right)\left(R_3+{\mathrm{\ΔR}}_3\right)-\left(R_2+{\mathrm{\ΔR}}_2\right)\left(R_4+{\mathrm{\ΔR}}_4\right)}{\left(R_1+{\mathrm{\ΔR}}_1+R_2+{\mathrm{\ΔR}}_2\right)\left(R_3+{\mathrm{\ΔR}}_3+R_4+{\mathrm{\ΔR}}_4\right)}{u}_i\\ \≈\frac{R_3{\mathrm{\ΔR}}_1+R_1{\mathrm{\ΔR}}_3-R_4{\mathrm{\ΔR}}_2-R_2{\mathrm{\ΔR}}_4+{\mathrm{\ΔR}}_1{\mathrm{\ΔR}}_3-{\mathrm{\ΔR}}_2{\mathrm{\ΔR}}_4}{\left(R_1+R_2\right)\left(R_3+R_4\right)}{u}_i\\ \≈\frac{\left({\mathrm{\ΔR}}_1-{\mathrm{\ΔR}}_2\right)+\left({\mathrm{\ΔR}}_3-{\mathrm{\ΔR}}_4\right)}{4R_1}{u}_i\end{array}---\left(6\right)$

由于ΔR_i＜＜R_i(i＝1,2,3,4)故第一个≈，第二个≈忽略的部分ΔR₁ΔR₃-ΔR₂ΔR₄也很小，并在工程上可以使其远小于较保留部分。一般可用式(6)获取的电压测量应变；对应变轴向偏导可结合式(3)和式(6)，合理地设计安排各桥臂敏感栅和电阻可获得与应变轴向偏导呈线性关系的电压值u_o，该电压为微弱信号需进行放大。

Claims (5)

1.一种可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片，包括基底，其特征在于：所述金属应变片还包括两个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引出线，所述基底上固定所述两个敏感栅；

每一敏感栅包括敏感段和过渡段，所述敏感段的两端为过渡段，所述敏感段呈细长条形，所述过渡段呈粗短形，所述敏感段的电阻远大于所述过渡段的电阻，相同应变状态下所述敏感段的电阻变化值远大于所述过渡段的电阻变化值，所述过渡段的电阻变化值接近于0；

每个敏感段的所有横截面形心构成敏感段轴线，该敏感段轴线为一条直线段，各敏感段的轴线平行并且位于同一平面中，敏感段轴线所确定平面内，沿所述敏感段轴线方向即轴向，与轴向垂直的方向为横向；每个敏感段的所有横截面形状尺寸一致；取每个敏感段的轴线中点位置并以该敏感段电阻值为名义质量构成所在敏感段的名义质点，各个敏感段的名义质点共同形成的质心位置为敏感栅的中心；

两个敏感栅的敏感段总电阻一致，所述两个敏感栅在相同的应变下敏感段的总电阻变化值一致，两个敏感栅之中心位于一条直线上，该一条直线平行于两个敏感栅任何一条敏感段轴线，两个敏感栅沿此直线方向从左至右分别称为左敏感栅和右敏感栅；各敏感段轴线所确定平面上，左敏感栅与右敏感栅之间呈叉指布置；

两个敏感栅中心在轴向上有偏差，在横向上无偏差，左敏感栅中心与右敏感栅中心的距离为Δx。

2.如权利要求1所述的可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片，其特征在于：所述金属应变片还包括盖片，所述盖片覆盖于所述敏感栅和基底上。

3.如权利要求1或2所述的可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片，其特征在于：所述敏感栅为丝式、箔式、薄膜式或厚膜式敏感栅。

4.如权利要求1或2所述的可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片，其特征在于：所述基底为胶膜基底、玻璃纤维基底、石棉基底、金属基底或临时基底。

5.如权利要求1或2所述的可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差双敏感栅叉指型金属应变片，其特征在于：所述两个敏感栅左右布置在基底上。