可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差全桥全叉指型金属应变片的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器领域，尤其是一种金属应变片。
【背景技术】
[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：
[0004] 其中R是其电阻值，P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。金属丝在承受应变而发生机械变形的过程中，P、L、S三者都要发生变化，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
[0006] 其中AR为电阻变动量，AL为金属材料在拉力或者压力作用方向上长度的变化 量，e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。
[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。
[0008] 但是有时我们也需要了解工件应变的偏导数，比如下面有三种场合，但不限于此 三，需要用到工件表面应变偏导数：
[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。
[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；
[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。
【发明内容】
[0012] 为了克服已有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轴向一阶和二阶偏导的可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差全 桥全叉指型金属应变片。
[0013] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0014] 一种可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差全桥全叉指型金属应变片，包括基底， 所述金属应变片还包括四个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引出线，所述基底上 固定所述四个敏感栅；
[0015] 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 近于〇;
[0016] 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，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，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；
[0017] 四个敏感栅的敏感段总电阻一致，所述四个敏感栅在相同的应变下敏感段的总电 阻变化值一致，四个敏感栅之中心位于一条直线上，该一条直线平行于四个敏感栅任何一 条敏感段轴线，四个敏感栅沿此直线方向从左至右分别称为左敏感栅，中左敏感栅，中右敏 感栅和右敏感栅；各敏感段轴线所确定平面上，任意两个敏感栅之间均呈叉指布置；
[0018] 四个敏感栅中心在轴向上有偏差，在横向上无偏差，左敏感栅中心与中左敏感栅 中心的距离为Ax1;中左敏感栅中心与中右敏感栅中心的距离为AX2，中右敏感栅中心与 右敏感栅中心距离为AX3，左敏感栅中心与中右敏感栅中心的距离为Ax4=AXl+AX2，中 左敏感栅中心与右敏感栅中心距离为Ax5=Ax2+AX3，左敏感栅中心与右敏感栅中心距 离为Ax6=AX1+Ax2+Ax3。
[0019] 本发明中，四个敏感栅的敏感段总电阻应一致，并且四个敏感栅在相同的应变下 敏感段总电阻变化量应一致。由于测量电桥有四个桥臂，可以将将四个敏感栅按一定次序 分别布置于四个电桥，所以称这个应变片为全桥的。比如，四敏感栅之敏感段的横截面均相 同，材质一致，且四个敏感栅的敏感段的长度的总和相等。
[0020] 四敏感栅中任意两个敏感栅之间的轴向距离均为AXi(i= 1，2,…，6)之一，AXi 一般小于甚至远小于各敏感段的长度，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。由此，四敏感栅形成全叉指布置。由于左敏感 栅、中左敏感栅、中右敏感栅和右敏感栅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轴向偏导数的关键之一。
[0021] 利用金属材料电阻变化值与应变之间的线性关系，第一，像普通应变片那样可以 用于测量应变；第二，四敏感栅中任意两个的电阻差与该两个敏感栅之中心的距离之比反 映了应变的轴向偏导；第三，右敏感栅与左敏感栅电阻之和减去中左敏感栅与中右敏感栅 电阻之和的差与应变的轴向二阶偏导成正比。
[0022] 在工艺上应注意保持各敏感栅过渡段总电阻以及过渡段电阻在外部应变下之变 化量一致以调高测量精度，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。
[0023] 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。
[0024] 再进一步，所述敏感栅为丝式、箱式、薄膜式或厚膜式敏感栅。
[0025] 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。
[0026] 所述四个敏感栅从左至右布置在基底上。当然，也可以为其他的布置方式。
[0027] 本发明的有益效果主要表现在：不仅能测量工件表面应变，更能有效检测表面应 变轴向一阶和二阶偏导数。
【附图说明】
[0028] 图1是可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差全桥全叉指型金属应变片的示意图。
[0029] 图2是可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差全桥全叉指型金属应变片俯视图。
[0030] 图3是测量电桥示意图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0032] 参照图1~图3,一种可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差全桥全叉指型金属应 变片，包括基底，所述金属应变片还包括四个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引出 线，所述基底上固定所述四个敏感栅；
[0033] 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 近于〇;
[0034] 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，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，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；
[0035] 四个敏感栅的敏感段总电阻一致，所述四个敏感栅在相同的应变下敏感段的总电 阻变化值一致，四个敏感栅之中心位于一条直线上，该一条直线平行于四个敏感栅任何一 条敏感段轴线，四个敏感栅沿此直线方向从左至右分别称为左敏感栅，中左敏感栅，中右敏 感栅和右敏感栅；各敏感段轴线所确定平面上，任意两个敏感栅之间均呈叉指布置；
[0036] 四个敏感栅中心在轴向上有偏差，在横向上无偏差，左敏感栅中心与中左敏感栅 中心的距离为Ax1;中左敏感栅中心与中右敏感栅中心的距离为AX2，中右敏感栅中心与 右敏感栅中心距离为AX3，左敏感栅中心与中右敏感栅中心的距离为Ax4=AXl+AX2，中 左敏感栅中心与右敏感栅中心距离为Ax5=Ax2+AX3，左敏感栅中心与右敏感栅中心距 离为Ax6=AX1+Ax2+Ax3。
[0037] 本实施例中，可测量表面应变轴向偏导的轴向偏差全桥全叉指型金属应变片的一 个实例，包括一个基底1，按图2的左右次序有左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4,右 敏感栅5,八个引出线6,还可以有盖片（各附图中未予表示）。
[0038] 基底1之上可固定左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右敏感栅5,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左 敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右敏感栅5。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。
[0039] 盖片用纸或者胶等材料制成，覆盖于左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4、右 敏感栅5和基底1上，起防潮、防蚀、防损等作用的保护层。
[0040] 引线6用于连接敏感栅和测量电路，左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右 敏感栅5各有两个引线6,对与箱式和膜式应变片，引线6与其所连接的左敏感栅2,中左敏 感栅3,中右敏感栅4或右敏感栅5联为一体。左敏感栅2的引脚