可測量表面應(yīng)變橫向偏導(dǎo)的橫向偏差全橋雙叉指型金屬應(yīng)變片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及傳感器領(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(shí)，其電 阻隨著所發(fā)生機(jī)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]
[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(jī)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(shí)，長度增加，截面積減小，電阻值增加；當(dāng) 受壓縮時(shí)，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]
[0006] 其中A R為電阻變動量，A L為金屬材料在拉力或者壓力作用方向上長度的變化 量，e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(shí)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(jī)械零件的表 面。當(dāng)傳感器中的彈性元件或被測機(jī)械零件受作用力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，粘貼在其上的應(yīng)變片也 隨之發(fā)生相同的機(jī)械變形，引起應(yīng)變片電阻發(fā)生相應(yīng)的變化。這時(shí)，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(shí)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(jī)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(shí)，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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 為了克服已有金屬應(yīng)變片無法檢測應(yīng)變偏導(dǎo)的不足，本實(shí)用新型提供一種既能測 量應(yīng)變更能有效檢測表面應(yīng)變橫向一階和二階偏導(dǎo)的可測量表面應(yīng)變橫向偏導(dǎo)的橫向偏 差全橋雙叉指型金屬應(yīng)變片。
[0013] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0014] -種可測量表面應(yīng)變橫向偏導(dǎo)的橫向偏差全橋雙叉指型金屬應(yīng)變片，包括基底， 所述金屬應(yīng)變片還包括四個(gè)敏感柵，每個(gè)敏感柵的兩端分別連接一根引出線，所述基底上 固定所述四個(gè)敏感柵；
[0015] 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;
[0016] 每個(gè)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，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?yàn)闄M向；每個(gè)敏感段的所有橫截面形狀尺寸一致；取每個(gè)敏 感段的軸線中點(diǎn)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(diǎn)，各個(gè)敏 感段的名義質(zhì)點(diǎn)共同形成的質(zhì)心位置為敏感柵的中心；
[0017] 四個(gè)敏感柵的敏感段總電阻一致，所述四個(gè)敏感柵在相同的應(yīng)變下敏感段的總電 阻變化值一致，四個(gè)敏感柵之中心位于一條直線上，該一條直線垂直于四個(gè)敏感柵任何一 條敏感段軸線，四個(gè)敏感柵沿此直線方向從上至下分別稱為上上敏感柵，上下敏感柵，下上 敏感柵和下下敏感柵；各敏感段軸線所確定平面上，上上敏感柵與上下敏感柵之間呈叉指 布置，下上敏感柵與下下敏感柵之間也呈叉指布置；
[0018] 四個(gè)敏感柵中心在軸向上無偏差，在橫向上有偏差，上上敏感柵中心與上下敏 感柵中心的距離為Ay1;l下敏感柵中心與下上敏感柵中心的距離為Ay2，下上敏感柵 中心與下下敏感柵中心距離為Ay3，上上敏感柵中心與下上敏感柵中心的距離為Ay4 = Ayi+Ay；!，上下敏感柵中心與下下敏感柵中心距離為Ay；> = Ay；!+Ay；5,上上敏感柵中心與 下下敏感柵中心距離為Ay6=Ayi+Ay2+Ay3。
[0019] 本實(shí)用新型中，四個(gè)敏感柵的敏感段總電阻應(yīng)一致，并且四個(gè)敏感柵在相同的應(yīng) 變下敏感段總電阻變化量應(yīng)一致。由于測量電橋有四個(gè)橋臂，可以將將四個(gè)敏感柵按一定 次序分別布置于四個(gè)電橋，所以稱這個(gè)應(yīng)變片為全橋的。比如，四敏感柵之敏感段的橫截面 均相同，材質(zhì)一致，且四個(gè)敏感柵的敏感段的長度的總和相等。
[0020] 上上敏感柵與上下敏感柵之中心的距離A yi-般小于甚至遠(yuǎn)小于各敏感段的長 度，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(cuò)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。同樣，下上敏感柵與下下敏感柵也呈叉指布置。然而，上上敏感柵與下上敏感柵和下 下敏感柵均不呈叉指布置；上下敏感柵與下上敏感柵和下下敏感柵均不呈叉指布置；下上 敏感柵與上上敏感柵和上下敏感柵均不呈叉指布置；下下敏感柵與上上敏感柵和上下敏感 柵均不呈叉指布置。由于上上敏感柵、上下敏感柵、下上敏感柵和下下敏感柵的相對位置由 應(yīng)變片生產(chǎn)工藝保證被相當(dāng)精確地固定了，這也是本實(shí)用新型能檢測工件應(yīng)變橫向偏導(dǎo)數(shù) 的關(guān)鍵之一。
[0021] 利用金屬材料電阻變化值與應(yīng)變之間的線性關(guān)系，第一，像普通應(yīng)變片那樣可以 用于測量應(yīng)變；第二，四敏感柵中任意兩個(gè)的電阻差與該兩個(gè)敏感柵之中心的距離之比反 映了應(yīng)變的橫向偏導(dǎo)；第三，下下敏感柵與上上敏感柵電阻之和減去上下敏感柵與下上敏 感柵電阻之和的差與應(yīng)變的軸向二階偏導(dǎo)成正比。
[0022] 在工藝上應(yīng)注意保持各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 化量一致以調(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(shí)加以消除。
[0023] 進(jìn)一步，上上敏感柵與上下敏感柵、下上敏感柵與下下敏感柵以中心x軸為中心 鏡像對稱布置。即A yi= Ay 3。當(dāng)然，也可以采用兩者不相等的其他方案。
[0024] 進(jìn)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。
[0025] 再進(jìn)一步，所述敏感柵為絲式、箱式、薄膜式或厚膜式敏感柵。
[0026] 更進(jìn)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(shí)基底。
[0027] 所述四個(gè)敏感柵從上至下布置在基底上。當(dāng)然，也可以為其他的布置方式。
[0028] 本實(shí)用新型的有益效果主要表現(xiàn)在：不僅能測量工件表面應(yīng)變，更能有效檢測表 面應(yīng)變橫向一