可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅边叉指金属应变片

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可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅边\n叉指金属应变片\n技术领域\n[0001] 本发明涉及传感器领域，尤其是一种金属应变片。\n背景技术\n[0002] 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:\n[0003]\n[0004] 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。\n金属丝在承受应变而发生机械变形的过程中，ρ、L、S五者都要发生变化，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\n[0005]\n[0006] 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。\n[0007] 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。\n[0008] 但是有时我们也需要了解工件应变的偏导数，比如下面有五种场合，但不限于此五，需要用到工件表面应变偏导数：\n[0009] 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。\n[0010] 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，截面弯矩的轴向一阶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一阶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；\n[0011] 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。\n[0012] 此外，对工件的某些部位，比如轴肩、零件边缘处等位置，由于形状尺寸的突变，其应变往往相应存在比较大的变化。然而，正由于形状尺寸的突变，使得该处较难安置一般的应变片，需要一种能测量应变片偏边缘甚至边缘外侧位置而不是正中位置应变偏导的产品。如此便可实现在避开较难安放应变片的目标被测点一定距离处布置应变片，而最终测量到该目标被测点处的应变偏导。\n发明内容\n[0013] 为了克服已有的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横向偏导的可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅边叉指金属应变片，特别是测量工件角落、边缘等对应变片有尺寸限制部位或者其他不宜布置应变片位置的横向一阶偏导。\n[0014] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：\n[0015] 一种可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅边叉指金属应变片，包括基底，所述金属应变片还包括五个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引脚，所述基底上固定所述五个敏感栅；\n[0016] 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；\n[0017] 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，所述五个敏感栅中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；每个敏感段上存在其两侧电阻值相等的一个横截面，取该截面形心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；\n[0018] 五个敏感栅中心在轴向上无偏差，在横向上部分存在有偏差；各敏感栅按敏感栅中心位置的顺序，沿横向从上至下，首先为上五敏感栅和上三敏感栅，然后是中敏感栅，最后是下三敏感栅和下五敏感栅；上五敏感栅中心与上三敏感栅中心的距离为0，上五敏感栅中心与中敏感栅中心的距离为Δy1，中敏感栅中心与下五敏感栅中心的距离为Δy1，下五敏感栅中心与下三敏感栅中心的距离为0，各敏感段轴线所确定平面上，上五敏感栅与上三敏感栅呈叉指布置，下三敏感栅与下五敏感栅呈叉指布置；\n[0019] 上五敏感栅、上三敏感栅、中敏感栅、下三敏感栅和下五敏感栅的敏感段总电阻呈\n5：3：8：3：5的比例关系，上五敏感栅、上三敏感栅、中敏感栅、下三敏感栅和下五敏感栅的敏感段在相同的应变下敏感段的总电阻变化值也呈5：3：8：3：5的比例关系。\n[0020] 进一步，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，所述上五敏感栅、上三敏感栅、中敏感栅、下三敏感栅和下五敏感栅的敏感段总长度呈5：3：8：3：5的比例关系。该方案为一种可以选择的方案，名义质点的位置只要符合其两侧电阻值相等的横截面形心位置即可，也可以是其他位置。\n[0021] 五个敏感栅中，上五敏感栅与上三敏感栅呈叉指布置，下三敏感栅与下五敏感栅呈叉指布置，而无其他叉指布置情况；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；\n[0022] 利用金属材料电阻变化值与应变之间的线性关系，本应变片正如普通应变片那样可以用于测量应变。另一方面，依据数值微分理论中(如依冯康等编、国防工业出版社1978年12月出版的《数值计算方法》21页(1.4.11)-(1.4.14)式作等距插值分析)关于一阶偏导的具体计算方法，f(x,y)的y方向一阶偏导数的数值计算方法如下：\n[0023]\n[0024] 其中y1＝y0+h，y2＝y1+h，特别注意上式为(x,y2+h)位置的一阶偏导数值公式，该式的截断误差较小为o(h2)即为步长平方的高阶无穷小量。由式(2)工程上三般认为敏感栅电阻变化量正比与敏感栅中心的应变，结合各敏感栅电阻以及在相同应变下之电阻变化量的比例关系；上五敏感栅与下三敏感栅的电阻和减去中敏感栅的电阻值，再除以上五敏感栅中心与下三敏感栅中心的距离为应变的横向一阶数值偏导，按照数值微分理论这是上五敏感栅中心向上方h距离处的横向一阶数值偏导，这里的h当然等于上五敏感栅中心到中敏感栅中心之间的距离，故所测不是应变片中部的而是偏上部或者上边缘之外的横向一阶偏导；同样，下五敏感栅与上三敏感栅的电阻和减去中敏感栅的电阻值，再除以下五敏感栅中心与上三敏感栅中心的距离为应变的横向一阶数值偏导，按照数值微分理论这是下五敏感栅中心向下方h距离处的横向一阶数值偏导，这里的h当然等于下五敏感栅中心到中敏感栅中心之间的距离，故所测不是应变片中部的而是偏下方或者下边缘之外的横向一阶偏导。\n通过测量电路可对中敏感栅分时复用，可几乎同时测量上述两处位置的横向一阶偏导。因此该应变片的优势在于其上下两侧均可测量工件角落、边缘等一般应变片由于尺寸限制无法测量的部位的横向一阶偏导。\n[0025] 在工艺上应注意保持上五敏感栅、上三敏感栅、中敏感栅、下三敏感栅和下五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呈5：3：8：3：5的数值关系以调高测量精度，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。\n[0026] 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。\n[0027] 再进一步，所述敏感栅为丝式、箔式、薄膜式或厚膜式敏感栅。\n[0028] 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。\n[0029] 所述五个敏感栅上、中、下布置在基底上。当然，也可以为其他的布置方式。\n[0030] 本发明的有益效果主要表现在：通过对中敏感栅分时复用，可几乎同时检测上五敏感栅中心上外侧一处和下五敏感栅中心下外侧一处的横向一阶偏导，其中上五敏感栅中心上外侧处轴向上与上五敏感栅中心无偏差，横向上该处与上五敏感栅中心的间距等于中敏感栅中心与上五敏感栅中心的间距；下五敏感栅中心下外侧处轴向上与下五敏感栅中心无偏差，横向上该处与下五敏感栅中心的间距等于中敏感栅中心与下五敏感栅中心的间距。因此本发明可测量工件角落、边缘等对应变片有尺寸限制部位或者其他不宜布置应变片位置的横向一阶偏导。\n附图说明\n[0031] 图1是可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅边叉指金属应变片的示意图。\n[0032] 图2是可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅边叉指金属应变片的俯视图。\n[0033] 图3是测量电桥示意图。\n具体实施方式\n[0034] 下面结合附图对本发明作进一步描述。\n[0035] 参照图1～图3，一种可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅边叉指金属应变片，包括基底，所述金属应变片还包括五个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引脚，所述基底上固定所述五个敏感栅；\n[0036] 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；\n[0037] 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，所述五个敏感栅中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；每个敏感段上存在其两侧电阻值相等的一个横截面，取该截面形心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；\n[0038] 五个敏感栅中心在轴向上无偏差，在横向上部分存在有偏差；各敏感栅按敏感栅中心位置的顺序，沿横向从上至下，首先为上五敏感栅和上三敏感栅，然后是中敏感栅，最后是下三敏感栅和下五敏感栅；上五敏感栅中心与上三敏感栅中心的距离为0，上五敏感栅中心与中敏感栅中心的距离为Δy1，中敏感栅中心与下五敏感栅中心的距离为Δy1，下五敏感栅中心与下三敏感栅中心的距离为0，各敏感段轴线所确定平面上，上五敏感栅与上三敏感栅呈叉指布置，下三敏感栅与下五敏感栅呈叉指布置；\n[0039] 上五敏感栅、上三敏感栅、中敏感栅、下三敏感栅和下五敏感栅的敏感段总电阻呈\n5：3：8：3：5的比例关系，上五敏感栅、上三敏感栅、中敏感栅、下三敏感栅和下五敏感栅的敏感段在相同的应变下敏感段的总电阻变化值也呈5：3：8：3：5的比例关系。\n[0040] 进一步，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，所述上五敏感栅、上三敏感栅、中敏感栅、下三敏感栅和下五敏感栅的敏感段总长度呈5：3：8：3：5的比例关系。该方案为一种可以选择的方案，名义质点的位置只要符合其两侧电阻值相等的横截面形心位置即可，也可以是其他位置。\n[0041] 五个敏感栅中，上五敏感栅与上三敏感栅呈叉指布置，下三敏感栅与下五敏感栅呈叉指布置，而无其他叉指布置情况；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。\n[0042] 本实施例的可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅边叉指金属应变片，包括基底1，所述金属应变片还包括五个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引脚，所述基底1上固定所述五个敏感栅。\n[0043] 基底1之上可固定上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6，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上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6。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。\n[0044] 盖片用纸或者胶等材料制成，覆盖于上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5、下五敏感栅6和基底1上，起防潮、防蚀、防损等作用的保护层。\n[0045] 引脚7用于连接敏感栅和测量电路，上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6各有两个引脚7，对与箔式和膜式应变片，引脚7与其所连接的上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6联为一体。上五敏感栅2的两个引脚为7-1和7-2，上三敏感栅3的两个引脚为7-3和7-4，中敏感栅4的两个引脚为7-5和\n7-6，下三敏感栅5的两个引脚为7-7和7-8，下五敏感栅6的两个引脚为7-9和7-10。\n[0046] 上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6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。无论何种上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6的厚度均很小，使得上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6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上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6之间的配合，有如下要点：\n[0047] 第一，在基底上布置五个敏感栅，分别称为上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅\n4、下三敏感栅5和下五敏感栅6。\n[0048] 第二，上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6均可分为敏感段8和过渡段9，各过渡段9将各敏感段8连接形成敏感栅。比较而言，敏感段8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9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8和过渡段9。\n[0049] 第三，每个敏感栅的敏感段8呈细长条状，每个敏感段8的所有横截面形心构成敏感段轴线，该敏感段8轴线为一条直线段，各敏感段8的轴线平行并且位于同一平面中。每个敏感段8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。\n[0050] 第四，上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6的敏感段8总长度呈5：3：8：3：5的比例关系，上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6的敏感段8总电阻呈5：3：8：3：5的比例关系，上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6的敏感段8在相同的应变下敏感段的总电阻变化值也呈5：3：8：3：5的比例关系。\n[0051] 第五，俯视上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6，它们均具有对称轴且对称轴重合(图2中的y轴)，上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6各自的敏感段8全都与该对称轴垂直，并且各敏感栅的敏感段8均关于此轴对称分布。因此，可以说上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6中心位置均在y轴上，它们的中心在轴向上无偏差，在横向上存在部分偏差。根据图2中应变片的俯视图，上五敏感栅2和上三敏感栅3的敏感段8有轴向对称轴xU，上五敏感栅2和上三敏感栅3的中心在y轴与xU轴的交点，中敏感栅4的敏感段8有轴向对称轴xM，中敏感栅4的中心在y轴与xM轴的交点，下三敏感栅5和下五敏感栅6的敏感段8有轴向对称轴xL，下三敏感栅5和下五敏感栅6的中心在y轴与xL轴的交点。\n[0052] 第六，上五敏感栅2的中心与上三敏感栅3的中心的距离为0，上五敏感栅2的中心与中敏感栅4的中心的距离为Δy1，中敏感栅4的中心与下五敏感栅6的中心的距离为Δy1，下三敏感栅5的中心与下五敏感栅中心6的距离为0，如图2所示。上边上五敏感栅2与上三敏感栅3呈叉指布置，下边下三敏感栅5与下五敏感栅6呈叉指布置，而无其他叉指布置情况；\n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。由于上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6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横向偏导数的关键之一。\n[0053] 综上所述，本发明上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6在相同应变下电阻变化值呈5：3：8：3：5的比例关系；各敏感栅中心在轴向上无偏差，在横向上存在部分偏差；上五敏感栅2的中心与上三敏感栅3的中心的距离为0，上五敏感栅\n2的中心与中敏感栅4的中心的距离为Δy1，中敏感栅4的中心与下五敏感栅6的中心的距离为Δy1，下三敏感栅5的中心与下五敏感栅中心6的距离为0。\n[0054] 令自由状态下上三敏感栅3电阻为RU0，中敏感栅4电阻为RM0，下五敏感栅6电阻为RL0，应有RU0+RL0＝RM0＝R0。将本发明的应变片安置于某有表面应变时，上三敏感栅3电阻为R0+ΔRU，中敏感栅4电阻为R0+ΔRM，下五敏感栅6电阻为R0+ΔRL；另一方面，上三敏感栅3以及下五敏感栅6的中心分别位于图2中y轴与xU的交点以及y轴与xL的交点，横向上相距2Δy1。利用敏感栅电阻与表面应变的关系以及数值微分的公式(3)有：\n[0055]\n[0056] 其中 为下五敏感栅6中心下方Δy1位置，也就是图2中y轴与xOL的交点，εU为上三敏感栅3中心处的应变，εM为中敏感栅4中心处的应变，εL为下五敏感栅6中心处的应变。这即是本实施例测量表面应变横向偏导的原理。特别注意，上式所计算的数值微分为下五敏感栅6中心下方Δy1处的应变横向一阶偏导，该位置为应变片的下侧或者下边缘外侧，因此具有便于测量工件角落处、边缘处等对应变片有尺寸限制部位的横向一阶偏导的优势。同样利用上五敏感栅2、中敏感栅4和下三敏感栅5，也可以测量上五敏感栅2中心上方Δy1处，也就是图2中y轴与xOU的交点，的应变横向一阶偏导。上述下五敏感栅6中心下方Δy1处的应变横向一阶偏导和上五敏感栅2中心上方Δy1处的应变横向一阶偏导数可以通过对中敏感栅\n4分时复用实现几乎同时测量。\n[0057] 将本实施例配合电桥可用于测量应变、应变横向一阶偏导，假设电桥输入电压为ui、输出电压为uo，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\n[0058]\n[0059] 此时，要求电桥平衡也就是uo＝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\n[0060] R1＝R2＝R3＝R4，  (6)\n因为，第一，满足条件(6)，根据有关理论应变片灵敏度最高；第二，测量应变或者应变横向偏导的方法均要求条件(6)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\n[0061]\n[0062] 由于ΔRi＜＜Ri(i＝1,2,3,4)故第一个≈成立，第二个≈当ΔR1-ΔR2与ΔR3-ΔR4同号或者异号但|ΔR1-ΔR2|与|ΔR3-ΔR4|不十分接近时成立，在工程上合理选择应变片安置位置完全可以实现。一般可用式(7)获取的电压测量应变；对应变横向偏导可结合式(4)和式(7)，合理地设计安排各桥臂敏感栅和电阻，例如桥臂R1布置中敏感栅4，桥臂R2串联布置上三敏感栅3和下五敏感栅6，其余桥臂配置等值电阻，可获得与下五敏感栅6中心下方Δy1处应变横向一阶偏导呈线性关系的电压值uo，该电压为微弱信号需进行放大。