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