一种温度自补偿应变计的制作方法

本实用新型属于传感技术领域，具体涉及一种在变温，尤其是有温度梯度，环境下精确测量应力或应变的应变计。

背景技术：

应变计在结构应力测量及制作各种物理量(力、重力、压力、位移、加速度及扭矩)传感器等方面获得了广泛的应用，现代应变计技术普及于航天、航空、原子能、化工、机械、建筑、交通运输以及生物工程等各个领域。然而，大部分应变计对温度都非常敏感，且由温度引起的干扰输出(温度效应)和应变输出量大致在一个数量级内。最常用的温度补偿方式是使用至少两个相同的应变计组建Wheatstone电桥；另一种方式则是在应变计附近布置温度传感器，并根据温度传感器的数据对应变计的输出进行修正。在工程应用中，这两种方法也可结合起来使用。

但上述方法仅在固定温度环境才有较好的温度补偿效果。在变温环境，尤其是有温度梯度的情况下，各分立元件因存在一定的温差，故会导致较大的零点漂移和测量误差。例如，在进行高超声速风洞试验时，高温气体会加热气动模型并将热量传递到模型内部的应变天平上，由于每次试验的模型攻角、气体温度、气体流量等均可能不同，故应变天平的温度及温度梯度都会变化。在此种情况下，上述的两种温度补偿方法都不能很好的抑制应变计的温度效应。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种温度自补偿型应变计，该类应变计能够克服上述方法的缺陷并且能够通过自身结构对温度效应进行自补偿；该类应变计能够直接输出与应变成比例的电压信号；应变计材料本身的电阻温度效应，以及应变计与测试件间的温度膨胀系数差异，均与该类应变计的输出无关，即该类应变计的输出仅与测试件的应变相关。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种温度自补偿应变计，包括基底及基底上相互正交设置的四个电极和四个敏感栅，所述的四个敏感栅由四个尺寸相同、厚度均匀且各向同性的敏感栅箔材构成；所述的四个敏感栅相互连接构成Wheatstone电桥，电桥中两个相邻敏感栅构成一路电流通道，四个敏感栅相互连接构成四路电流通道；所述的四路电流通道分别与四个电极连接。

所述的四个敏感栅均为正方形，并且相互连接组成正方形的形状。

所述的四个敏感栅均为扇形，并且相互连接组成圆形的形状。

所述的电极和敏感栅通过粘贴、溅射、沉积、离子注入或扩散的方式设置在所述的基底上。

一种温度自补偿应变计，包括基底及基底上设置的两层敏感栅，每层敏感栅含有两个敏感电阻，两层敏感栅间由一层绝缘层隔开；所述的四个敏感电阻的尺寸相同且由相同的敏感栅箔材制成；所述的两层敏感栅交错90°叠加，并且在空间上能够完全重合。

一种温度自补偿应变计，包括基底及基底上设置的四层敏感栅，每层敏感栅含有一个敏感电阻，每两层敏感栅之间由一层绝缘层隔开；所述的四个敏感电阻的尺寸相同且由相同的敏感栅箔材制成；所述的四层敏感栅交错90°叠加，并且在空间上能够完全重合。

以上所述的敏感栅箔材为金属应变电阻合金、半导体材料或金属氧化物。

本实用新型的显著效果在于：

1.无需复杂的温度补偿手段，仅通过加工工艺和材料的一致性以达到很好的温度补偿效果；

2.由于其自身可以补偿温度影响，故敏感栅材料的选择不受材料本身的温度特性限制；

3.制作工艺简单，由于仅改进了敏感栅结构，故可以采用常规应变计的成熟制作工艺。

4.所述应变计可直接输出电压信号。

附图说明

图1为一种温度自补偿应变计的结构示意图；

图2为图1所示应变计的使用方法示意图；

图3为一种可用于测量压力的圆形温度自补偿应变计结构示意图；

图4为一种由两层敏感结构组成的温度自补偿应变计的爆炸结构示意图；

图5为一种由四层敏感结构组成的温度自补偿应变计的爆炸结构示意图。

图中：1.应变计基底，2.两层敏感结构间的绝缘层，3～5.四层敏感结构间的绝缘层，10.引线电极，11.直流电压源，12.电压输出信号检测元件，12～15.另一种形状的敏感栅，R1～R4.构成片上Wheatstone电桥的四个敏感栅。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型所述的新型温度自补偿应变计作进一步详细说明。

图1为本实用新型的一种应变计结构示意图。应变计由应变计基底1、引线电极10和四个对称分布的敏感栅R1～R4组成；制作引线电极10的材料可与敏感栅R1～R4相同，亦可选择导电性能更好的材料；基底1上的引线电极10、敏感栅R1～R4等结构可通过粘贴、溅射、沉积、离子注入、扩散等方式制作。敏感栅R1～R4尺寸相同，通过使用厚度均匀且各向同性的敏感栅箔材，敏感栅R1～R4的电阻值可以较好的满足：

因此，本实用新型提出的应变计为一个单片应变计基底上制作四个等效电阻结构以组成惠斯顿电桥的应变敏感器件。

所述的敏感栅箔材为金属应变电阻合金、半导体材料或金属氧化物中的一种。

在应变片构成的电桥中，只有当R1×R3＝R2×R4时，电桥才平衡，但实际上各桥臂电阻之间不会完全相等(也可能由于应变片粘贴后电阻值略有变化引起的)，致使电桥在一开始就不能满足平衡条件，因此有一个零位输出。通过调节敏感栅R1～R4的电阻值大小，可以进一步的精细调节电桥平衡。调节方式可以采用去除部分敏感栅材料、增加补偿电阻等方式。

应变计零点温漂补偿的第二个条件是电阻温度系数条件，即

α₁+α₃＝α₂+α₄ (2)

以保证在不同温度点电桥均能保持平衡。

本实用新型提出的应变计上的四个敏感栅由同一批工艺在相邻位置上制作而成，故通过加工工艺和材料的一致性可以保证条件(1)和条件(2)较好的实现。

图2为该应变计的使用方法示意图。直流电压源11与应变计的两片引线电极10连接，以使敏感栅R1和R4上形成一路电流通道而敏感栅R2和R3上形成另一路通道；电压输出信号检测元件12，如电压表，与应变计的另两个电极10连接。当应变计上的电桥因应变导致失去平衡时，元件12将检测出与应变相对应的电压输出信号。

在实际应变测量中，应变计需要通过粘贴等方式固定到测试件表面，以使得测试件受力产生的变形能够传递到其上。当有温度变化时，应变计沿四周产生均匀的应变，敏感栅R1～R4等比例的发生形变，公式(1)成立故而电桥保持平衡；当应变计沿箭头A方向发生应变时，敏感栅R1和R3阻值增大，而敏感栅R2和R4的电阻值减小，公式(1)不再成立故而电桥不再平衡，此时元件12将检测出与应变相对应的电压输出信号，且在一定应变范围内，输出信号幅值正比于输入应变量。由此可以看出，通过使用单片集成的全桥敏感结构，本实用新型提出的应变计能够在显著抑制温度效应的基础上，准确的测量测试件上的应变。

图3为一种圆形的温度自补偿型应变计，四个尺寸相同的敏感栅R1～R4呈扇形均匀分布在应变计基底1之上。敏感栅R2和R4用于检测周向的应变，敏感栅R1和R3的电阻值变化与径向的应变及其形状和在基底1上所处位置有关。该种类型的应变计可用于检测施加于其上的压力。

图4与图1相比，主要的变化在于敏感结构由两层敏感栅组成。敏感栅R1和R4直接置于应变计基底1之上，而敏感栅R2和R3置于敏感栅R1和R4之上，两层敏感栅之间由一层绝缘层2隔开。绝缘层2拥有良好的电学绝缘性能且厚度很薄。敏感栅R1～R4尺寸相同且由相同的材料制成。两层敏感栅在空间上能够完全叠加，以保证彼此的温度一致性，从而进一步降低因温度梯度导致的温度效应。

图5所示应变计由四层敏感栅R1～R4叠加在应变计基底1上组成，各层敏感栅之间由绝缘层3～5隔开。与图1和图4所示应变计结构相比，敏感栅R1～R4之间的温差进一步减小，故拥有更好的温度补偿效果。

本实用新型提出的应变计的温度补偿效果不会受到测试件和应变计本身的热膨胀性能差异影响。测试件和应变计的热膨胀导致应变计沿其平面产生均匀的形变，在这种均匀形变情况下电桥依然平衡。

因此本实用新型提出的应变计亦能够通过自身的结构自动补偿因各材料的热膨胀系数差异引起的温度效应。此外，相比于其他形式的应变计，任何一个敏感栅上的温度变化需要通过连接材料传递到测试件再传递到其他补偿结构或补偿电路上，本实用新型提出的敏感栅R1～R4为一个整体，温度变化导致的元件的性能变化能够得到自身电桥的迅速补偿，由于良好的热传导性能和很短的热传输距离，这种补偿过程会非常迅速。

本文所述敏感栅结构仅为一种实施例，实际上有许多种敏感栅结构可以实现本实用新型中的温度自补偿功能，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型的保护范围内。