为6-1和6-2,中左敏感 栅3的引脚为6-3和6-4,中右敏感栅4的引脚为6-5和6-6,右敏感栅5的引脚为6-7和 6-8 〇
[0041] 左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右敏感栅5按照其金属敏感材料和加 工工艺的不同，可以为丝式、箱式、薄膜式、厚膜式。无论何种左敏感栅2,中左敏感栅3,中 右敏感栅4和右敏感栅5的厚度均很小，使得左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右 敏感栅5的轴向长度随其所依附工件的形变而变化。本发明基本的创新之处在于左敏感栅 2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右敏感栅5之间的配合，有如下要点：
[0042] 第一，在基底上布置四个敏感栅，分别称为左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅 4和右敏感栅5。
[0043] 第二，左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右敏感栅5均可分为多个过渡段 7和多个敏感段8,各过渡段7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7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7。
[0044] 第三，左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右敏感栅5的敏感段8横截面形 状均相同，并且左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右敏感栅5各自敏感段8长度的 总和相同。忽略过渡段7的电阻，左敏感栅2、中左敏感栅3、中右敏感栅4和右敏感栅5的 总电阻都相等，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。
[0045] 第四，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；
[0046] 第五，俯视左敏感栅2、中左敏感栅3、中右敏感栅4和右敏感栅5,它们均具有对称 轴且对称轴重合（图2中的X轴），左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右敏感栅5 各自的敏感段8全都与该对称轴平行，各敏感栅的敏感段8均关于此轴对称分布。因此，可 以说左敏感栅2、中左敏感栅3、中右敏感栅4和右敏感栅5同轴，即它们的中心位置有轴向 偏差无横向偏差，并且左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右敏感栅5的中心位置均 在X轴上。根据图2中应变片的俯视图，左敏感栅2的中心在X轴与^轴的交点，中左敏感 栅3的中心在X轴与yi轴的交点，中右敏感栅4的中心在X轴与yMR轴的交点，右敏感栅5 的中心在X轴与yR轴的交点。
[0047] 第六，左敏感栅2、中左敏感栅3、中右敏感栅4与右敏感栅5互为叉指布置，这些 敏感栅的中心位置均在同一对称轴X轴上。可以注意到，左敏感栅2中心与中左敏感栅3 中心的距离为Ax1;中左敏感栅3中心与中右敏感栅4中心的距离为Ax2，中右敏感栅4 中心与右敏感栅5中心距离为AX3，左敏感栅2中心与中右敏感栅4中心的距离为Ax4 = AX1+AX2，中左敏感栅3中心与右敏感栅5中心距离为Ax5= A x2+AX3，左敏感栅2中心 与右敏感栅5中心距离为AX6=AX1+AX2+AX3，这些距离均小于敏感段8的长度，如图2 所示。由于左敏感栅2,中左敏感栅3,中右敏感栅4和右敏感栅5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。
[0048] 综上所述，本发明左敏感栅2、中左敏感栅3、中右敏感栅4和右敏感栅5大小相 等，方向同轴无横向偏差，各敏感栅中心形成六种不同的轴向距离，互为叉指。
[0049] 左敏感栅的电阻记为&，中左敏感栅的电阻记为IV，中右敏感栅的电阻记为Rmr， 右敏感栅的电阻记为Rr。在自由状态下四敏感栅的电阻相等为Ro。将本发明的应变片安 置于某有应变表面时，在其中取两个敏感栅，此二者必有一左，必有一右。左边的敏感栅记 为电阻为R1^AR1，右边的敏感栅电阻记为R1^ARp两敏感栅中心距离为AXi，i为1到6之 一。两敏感栅中心处应变的不同造成了二者电阻变化量的不同。利用敏感栅电阻与表面应 变的关系有：
[0051]其中i= 1，2,…，6，e:为左边的敏感栅中心处的应变，e^为右边的敏感栅处的 应变，X为两敏感栅中心连线中点位置。这即是本发明测量表面应变轴向偏导的原理。上 式实际为对偏导的数值计算，根据数值微分的理论，这是以AXi/2为步长计算微分，该偏导
应变片的四个应变片，限定将应变片的Ax1=AX3，利用敏感栅电阻与表面应变的关系以 及二阶偏导的数值计算方法有：
[0053] 其中X。为应变片四个敏感栅中心的中点位置即图2中x轴和y轴的交点，eA左 敏感栅中心处的应变，为中左敏感栅中心处的应变，￡^为中左敏感栅中心处的应变， eR为右敏感栅中心处的应变。
[0054] 将本实施例配合电桥可用于测量应变、应变轴向偏导，假设电桥输入电压为Ui、输 出电压为Uci，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&、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
[0056] 此时，要求电桥平衡也就是u。= 0,于是必须满足所谓电桥平衡条件RW3-R2R4= 〇,采用的电桥进一步满足
[0057] R1=R2=R3=R4， （6)因为，第一，满足条件（6)时，根据有关理论应变片灵敏 度最高；第二，测量应变或者应变轴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
[0059]由于A民< <Ri(i= 1，2, 3, 4故）第一个~，第二个~忽略的部分AR1AR3-AR2AR4也很小，并在工程上可以使其远小于较保留部分。一般可用式（7)获取 的电压测量应变；对应变轴向偏导可结合式（3)、式（4)和式（7)，合理地设计安排各桥臂敏 感栅和电阻可获得与应变轴向一阶偏导或者二阶偏导呈线性关系的电压值Uci，该电压为微 弱信号需进行放大。
【主权项】
1. 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，其 特征在于：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； 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 O ； 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； 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； 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A X2，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Ax 4= Ax JAx2，中左敏 感栅中心与右敏感栅中心距离为Ax5= A x2+A X3，左敏感栅中心与右敏感栅中心距离为 Ax6= A X !+A x2+A x3〇2. 如权利要求1所述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，其特征在于：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。3.如权利要求1或2所述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，其特征在于：所述敏感栅为丝式、箱式、薄膜式或厚膜式敏感栅。4.如权利要求1或2所述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，其特征在于：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。5.如权利要求1或2所述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，其特征在于：所述四个敏感栅从左至右布置在基底上。
【专利摘要】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，包括基底和四个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引出线，每一敏感栅包括敏感段和过渡段，所有敏感段的轴线为直线、平行布置并且在同一个平面内；沿所述敏感段轴线方向即轴向，与轴向垂直的方向为横向；四个敏感栅电阻一致，在相同应变下电阻变化量一致，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；四个敏感栅中心在轴向上有偏差，在横向上无偏差；任意两个敏感栅之间均呈叉指布置。本发明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。
【IPC分类】G01B7/16
【公开号】CN105066871
【申请号】CN201510498346
【发明人】张端
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年8月13日