敏感栅3和右敏感栅4 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。
[0055]综上所述，本发明左敏感栅2、中敏感栅3和右敏感栅4在相同应变下电阻变化值呈 3:8:5的比例关系，各敏感栅中心横向无偏差轴向有偏差、左敏感栅2中心到中敏感栅3中心 的距离与中敏感栅3中心到右敏感栅4的距离相等。
[0056] 令自由状态下左敏感栅2电阻为RLQ，中敏感栅3电阻为Rmq，右敏感栅4电阻为Rro，应 有Rlo+Rro=Rmo=Ro。将本发明的应变片安置于某有表面应变时，左敏感栅2电阻为R〇+ΛRl， 中敏感栅3电阻为Ro+ΔRMQ，右敏感栅4电阻为Ro+ΔRr ;另一方面，左敏感栅2以及右敏感栅4 的中心分别位于图2中x轴与yL的交点以及x轴与yR的交点，轴向上相距2ΔX1。设无为右敏感 栅4中心右侧ΔΧ1&，也就是图2中X轴与yQ的交点，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：
[0057]
[0058]其中^为左敏感栅2中心处的应变，为中敏感栅3中心处的应变，eR为右敏感栅4 中心处的应变。这即是本实施例测量表面应变轴向偏导的原理。特别注意，上式所计算的数 值微分为右敏感栅4中心偏右外侧ΛΧ1位置的应变轴向一阶偏导，该位置为应变片的右侧 边缘甚至边缘外侧，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 轴向一阶偏导的优势。结合图2,注意到右敏感栅4的引脚5-5和5-6布置于右敏感栅4左侧， 其目的均在于尽量缩小右敏感栅4中心到应变片右侧边缘的距离，以便于进一步发挥上述 优势。
[0059]将本实施例配合电桥可用于测量应变、应变轴向一阶偏导，假设电桥输入电压为 m、输出电压为U。，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 针方向分别标记为心、1? 2、1?3、1?4，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
[0060]
[0061] 此时，要求电桥平衡也就是11。= 0,于是必须满足所谓电桥平衡条件RlR3-R2R4 = 0， 采用的电桥进一步满足
[0062] Ri = R2 = R3 = R4, (6)
[0063] 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
[0064]
[0065]由于ΔRi< <Ri(i= 1，2，3，4)故第一个》成立，第二个《当ΔRrΔR2与ΔR3-ΔR4 同号或者异号但IAR^ARsI与IAR3-AR4|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;对应变轴向偏导可结合式 (4)和式(7)，合理地设计安排各桥臂敏感栅和电阻，例如桥臂布置中敏感栅3,桥臂R2串联 布置左敏感栅2和右敏感栅4，其余桥臂配置与桥臂等值的电阻，可获得与右敏感栅4中心 偏右外侧A^位置应变轴向一阶偏导呈线性关系的电压值u。，该电压为微弱信号需进行放 大。
【主权项】
1. 一种可测量偏置敏感栅外侧轴向偏导的轴向分布三敏感栅金属应变片，包括基底， 其特征在于:所述金属应变片还包括三个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一根引脚，所 述基底上固定所述三个敏感栅； 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 0； 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，所述三 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； 三个敏感栅中心在轴向上有偏差，在横向上无偏差;三个敏感栅按敏感栅中心位置的 顺序，沿轴向从左至右分别称为左敏感栅、中敏感栅和右敏感栅;左敏感栅中心与中敏感栅 中心的距离为ΔX1，中敏感栅中心与右敏感栅中心的距离为ΔX1，任意两个敏感栅之中敏感 栅中心轴向位置高者，其每一敏感段上每一点的轴向位置高于另一敏感栅任一敏感段上任 一点的轴向位置； 左敏感栅、中敏感栅和右敏感栅的敏感段总电阻呈3:8:5的比例关系，左敏感栅、中敏 感栅和右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3:8:5的比例关系。2. 如权利要求1所述的可测量偏置敏感栅外侧轴向偏导的轴向分布三敏感栅金属应变 片，其特征在于: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，所述左敏感栅、中敏感栅和右 敏感栅的敏感段总长度呈3:8:5的比例关系。3. 如权利要求1或2所述的可测量偏置敏感栅外侧轴向偏导的轴向分布三敏感栅金属 应变片，其特征在于:所述右敏感栅的两个引脚均位于右敏感栅的左侧。4. 如权利要求1或2所述的可测量偏置敏感栅外侧轴向偏导的轴向分布三敏感栅金属 应变片，其特征在于：相对中敏感栅，右敏感栅的敏感段轴向长度可较短而横向分布可较 I_L|〇5. 如权利要求1或2所述的可测量偏置敏感栅外侧轴向偏导的轴向分布三敏感栅金属 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。6. 如权利要求1或2所述的可测量偏置敏感栅外侧轴向偏导的轴向分布三敏感栅金属 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。7. 如权利要求1或2所述的可测量偏置敏感栅外侧轴向偏导的轴向分布三敏感栅金属 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。8. 如权利要求1或2所述的可测量偏置敏感栅外侧轴向偏导的轴向分布三敏感栅金属 应变片，其特征在于:所述三个敏感栅左、中、右布置在基底上。
【专利摘要】一种可测量偏置敏感栅外侧轴向偏导的轴向分布三敏感栅金属应变片，包括基底和其上的三个敏感栅，每一敏感栅包括敏感段和过渡段，所有敏感段的轴线呈共面平行直线；该平面内沿轴线方向即轴向，与之垂直方向为横向；各敏感栅中心轴向有偏差，横向无偏差；各敏感栅按敏感栅中心位置的顺序，沿轴向从左至右分别称左敏感栅、中敏感栅和右敏感栅；任意两个敏感栅之中敏感栅中心轴向位置高者，其每一敏感段上每一点的轴向位置高于另一敏感栅之任一敏感段上任一点的轴向位置；左敏感栅、中敏感栅和右敏感栅在相同应变下总电阻变化值呈3：8：5的比例关系。本发明能检测右敏感栅右外侧至右敏感栅中心等于中、右两敏感栅中心间距处的应变轴向一阶偏导。
【IPC分类】G01B7/16
【公开号】CN105423899
【申请号】CN201510885016
【发明人】张端
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月4日