本发明属于应变测量技术领域，涉及一种基于惠斯通全桥原理的电阻应变式曲率传感器。
背景技术
在结构健康监测领域，利用结构的曲率模态来判断结构是否发生损伤是较为有效的一种方式，然而目前结构的曲率常多采用数值计算的方法获取，尚缺乏一种直接测量曲率的传感器。在实际工程领域，计算曲率多采用单个电阻应变传感器测量工程结构某一点的应变，通过多点测量，之后对数据进行差分得到该点曲率。但是这种方法存在一些不足：需要的传感器数量多，占用的采集通道多，因此采集成本较高；测量过程中必须温度补偿，增加温度补偿片，设备连接复杂；传感器间距较远，测量曲率精确度不高，并且无法计算首尾点的曲率。
实际工程中一些结构的曲率测量要求精度较高，同时保证低成本、设备简易。电阻应变传感器是一种用途广泛的高精度力学量传感元件，其基本任务就是把构件表面的变形量转变为电信号，输入相关的仪器仪表进行分析。电阻应变传感器以价格便宜、制作方便和布放简单等优点，目前被广泛应用于实验研究和实际工程领域。
为克服曲率计算的缺陷，同时降低传统曲率测量的采集成本，本发明提出了一种基于惠斯通全桥原理的电阻应变式曲率传感器，可以精确地实现曲率的直接测量。
技术实现要素：
为解决曲率测量成本较高、设备连接复杂和计算精度不高的问题，实现低成本的曲率精确测量，本发明提供了一种基于惠斯通全桥原理的电阻应变式曲率传感器。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于惠斯通全桥原理的电阻应变式曲率传感器，主要安装在产生弯曲或拉压变形的结构上，能够产生拉压或弯曲应变，实现结构任一测点曲率的直接精确测量；该电阻应变式曲率传感器将多个电阻应变传感器按照惠斯通全桥原理连接，首先实现应变的快速准确测量，然后再利用惠斯通全桥原理平衡温度影响，同时构造结构曲率计算形式，实现结构曲率的精确测量。
所述的电阻应变式曲率传感器包括布置在基层1上的电阻应变传感器组3和盖在基层1上方的覆盖保护层2，电阻应变传感器组3与引出线4相连。所述的电阻应变传感器组3包括四个完全相同且通过引出线4与外部应变桥盒9连接的电阻应变传感器a5、b16、b27和c8，应变桥盒9通过数据传输线10与动态信号采集仪11、显示记录装置12连接。所述应变桥盒9内部设有恒流源和信号放大器，前者提供输入电压u，后者对测得的输出电压u0进行信号放大处理。所述单个电阻应变传感器结构包括敏感栅13、粘结剂14和引线15。取厚度为0.02～0.05mm的康铜或镍铬箔片，利用光刻和腐蚀工艺制作成栅状，即制作成敏感栅13并导出两条引线15，使用环氧树脂作为粘结剂14将敏感栅13黏贴固定在基层1上。
所述四个电阻应变传感器a5、b16、b27、c8按照惠斯通全桥电路连接。电阻应变传感器b16在b27的左侧，并且要求对齐靠近布置，使得中心纵轴平行、中心横轴重合且相距较近，保证二者具有相同的拉压或弯曲应变；电阻应变传感器a5和c8分别布置在由b16和b27组成的电阻应变传感器组的左、右侧，并且使得a5和c8的中心纵轴重合、中心横轴平行；最后要求a5与c8、b16与c8之间的中心横轴间距均为l。
由应变桥盒9的恒流源提供输入电压，从恒流源正极+eg引出两条电路，一条电路连接a5和b16，另一条电路连接b27和c8，两条电路最终连接到负极-eg上；电阻应变传感器a5两端的电压降和b27两端的电压降的差值定义为输出电压u0，通过与应变桥盒9上对应的vi+和vi-分别相接即可得到，u0经过应变桥盒9内部的放大器放大处理后，依次传输至动态信号采集仪11和显示记录装置12准确完成曲率ρ的直接测量：
本发明的曲率测量原理是：根据惠斯顿电桥原理，得到电桥输出电压为：
式中：ra为电阻应变传感器a5的电阻，rc为电阻应变传感器c8的电阻，rb1为电阻应变传感器b16的电阻，rb2为电阻应变传感器b27的电阻，rarc＝rb1rb2；u为应变桥盒9对应直流电源的输入电压。
由于rarc＝rb1rb2，所以初始桥路输出电压u0＝0，满足电桥平衡，电桥初始状态处于平衡状态。
结构发生变形后，电阻应变传感器阻值改变，设各桥臂电阻的变化量分别为δra、δrb1、δrb2和δrc，则：
将rarc＝rb1rb2代入上式，且由于δri＜＜ri，可略去高阶微量，故得到：
由于四个桥臂的电阻值相等，即ra＝rb1＝rb2＝rc＝r，此时可写为：
由于四个桥臂电阻均为应变传感器，它们的灵敏度系数k均相同，则将关系式δr/r＝kε代入上式得：
式中，ε＝εa-εb1-εb2+εc，εa、εb1、εb2和εc分别为电阻应变传感器ra、rb1、rb2和rc所感受的应变。
因为测量过程中，每个电阻应变传感器都会受到结构变形引起的应变和温度引起的应变,考虑温度效应之后，代入上式可进一步得到：
ε＝εa-εb1-εb2+εc
＝(ε′a+εt)-(ε′b1+εt)-(ε′b2+εt)+(ε′c+εt)＝ε′a-ε′b1-ε′b2+ε′c
式中，ε′a、ε′b1、ε′b2、ε′c分别为结构变形引起的应变，εt为温度引起的应变；可以看到通过优化传感器布置位置，解决了温度补偿的问题。因为b1和b2两个应变传感器平行靠近放置，水平方向受到结构应变近似相等，所以可认为ε′b1＝ε′b2。又由于a、b1(b2)和c三个应变传感器间距很小且均为l，根据中央差分法曲率计算公式，可以得到曲率：
式中，l为电阻应变传感器水平方向间距。
因此，将以上各式整理得到测量电压：
即为输出电压与曲率的线性关系，通过单个采集通道测量惠斯通全桥电路的输出电压，可以得到精确的曲率测量结果。
本发明的创新点在于：(1)通过优化传感器布置位置，既平衡了温度对应变的影响，又在测量处可以精准地直接得到结构曲率，计算方便；(2)该曲率传感器中应变传感器间距较小，曲率计算精确度更高；(3)仅使用单个应变桥盒和单个采集通道即可测量结构曲率，设备连接简单，简化实验操作，同时极大地降低了采集成本。
附图说明
图1为曲率测量传感器的总体结构图；
图2为曲率测量传感器的工作原理图；
图3为曲率测量传感器的电路图；
图4为电阻应变传感器结构图；
图中：1基层；2覆盖保护层；3电阻应变传感器组；4引出线；5电阻应变传感器a；6电阻应变传感器b1；7电阻应变传感器b2；8电阻应变传感器c；9应变桥盒；10数据传输线；11动态信号采集仪；12显示记录装置；13敏感栅14粘结剂；15引线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明提供了一种基于惠斯通全桥原理的电阻应变式曲率传感器，如图1是电阻应变式曲率传感器的总体结构示意图，包括：基层1、覆盖保护层2、电阻应变传感器组3和引出线4。整个电阻应变式曲率传感器由双层结构所组成，基层1不仅可以用于布置电阻应变传感器，还可以防止集成电路对应变测量的结果产生的干扰，覆盖保护层2隔离外界环境以保护内部构件。如图2是本发明电阻应变式曲率传感器的工作原理图，包括：四个完全相同的电阻应变传感器a5、b16、b27和c8，一个应变桥盒9，数据传输线10，动态信号采集仪11和显示记录装置12。
基于本发明的曲率测量原理：四个电阻应变传感器a、b1、b2和c按照全桥电路连接，全桥电路图如图3所示，并且依照图2所示，电阻应变传感器b16在b27的左侧，并且要求对齐靠近布置，使得中心纵轴平行、中心横轴重合且相距较近，保证二者具有相同的拉压或弯曲应变；电阻应变传感器a5和c8分别布置在由b16和b27组成的电阻应变传感器组的左、右侧，并且使得a5和c8的中心纵轴重合、中心横轴平行；最后要求a5、b16和c8三者的中心横轴间距均为l；由应变桥盒9的恒流源提供输入电压，从恒流源正极+eg引出两条电路，一条电路连接a5和b16，另一条电路连接b27和c8，两条电路最终连接到负极-eg上；电阻应变传感器a两端的电压降和b2两端的电压降的差值为输出电压u0，通过与应变桥盒9上对应的vi+和vi-分别相接即可得到；考虑到应变信号较小的情况，因此需要对输出电压u0经过应变桥盒9内部的放大器进行放大处理，再依次传输给动态信号采集仪11和显示记录装置12即可准确完成曲率的直接测量。
四个电阻应变传感器按照图1和图2所示粘结于基层1上，四个电阻应变传感器中6和7平行靠近布置在一起，电阻应变传感器a5、b16、b27和c8的两两之间的间距均为l，基层1不仅可以用于布置电阻应变传感器，还可以防止集成电路对应变测量的结果产生一定干扰，覆盖保护层2隔离外界环境以保护内部构件。单个电阻应变传感器结构示意图如图4所示，包括敏感栅13、粘结剂14和引线15。
本发明还提供了基于惠斯通全桥原理的电阻应变式曲率传感器的制备方法，包括如下步骤：
所述电阻应变传感器用厚度为0.02～0.05mm的康铜或镍铬箔片利用光刻和腐蚀工艺制作成栅状，制作出相同的四个电阻应变传感器，将其用粘结剂布置粘贴在电阻应变式曲率传感器的底部基层1上；
所述粘结剂使用环氧树脂，玻璃纤维布作基层1；
所述覆盖保护层2由一般的绝缘材料加工即可；
将制作所得结构粘结在一起即得到电阻应变式曲率传感器，工程应用时与普通电阻应变传感器的粘贴方法相同。