敏感栅2的中心 与中敏感栅4的中心的距离为Δ yi，中敏感栅4的中心与下五敏感栅6的中心的距离为Δ yi， 下三敏感栅5的中心与下五敏感栅中心6的距离为0,如图2所示。上边上五敏感栅2与上三敏 感栅3呈叉指布置，下边下三敏感栅5与下五敏感栅6呈叉指布置，而无其他叉指布置情况； 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。由于上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏感栅6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横向偏导数的关 键之一。
[0053]综上所述，本发明上五敏感栅2、上三敏感栅3、中敏感栅4、下三敏感栅5和下五敏 感栅6在相同应变下电阻变化值呈5:3:8:3:5的比例关系;各敏感栅中心在轴向上无偏差， 在横向上存在部分偏差;上五敏感栅2的中心与上三敏感栅3的中心的距离为0,上五敏感栅 2的中心与中敏感栅4的中心的距离为Δ yi，中敏感栅4的中心与下五敏感栅6的中心的距离 为A yi，下三敏感栅5的中心与下五敏感栅中心6的距离为0。
[0054] 令自由状态下上三敏感栅3电阻为Ruo，中敏感栅4电阻为Rmq，下五敏感栅6电阻为 Rlo，应有Rlio+Rlo = Rmo = Ro。将本发明的应变片安置于某有表面应变时，上三敏感栅3电阻为 R〇+ Δ Ru，中敏感栅4电阻为Ro+ Δ RM，下五敏感栅6电阻为Ro+ Δ RL;另一方面，上三敏感栅3以 及下五敏感栅6的中心分别位于图2中y轴与xu的交点以及y轴与κ的交点，横向上相距2 △ yi。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：
[0055]
[0056] 其中$为下五敏感栅6中心下方Δ yi位置，也就是图2中y轴与的交点，ευ为上三 敏感栅3中心处的应变，εΜ为中敏感栅4中心处的应变，为下五敏感栅6中心处的应变。这即 是本实施例测量表面应变横向偏导的原理。特别注意，上式所计算的数值微分为下五敏感 栅6中心下方△ 71处的应变横向一阶偏导，该位置为应变片的下侧或者下边缘外侧，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横向一阶偏导的优势。同样 利用上五敏感栅2、中敏感栅4和下三敏感栅5,也可以测量上五敏感栅2中心上方A yi处，也 就是图2中y轴与XQU的交点，的应变横向一阶偏导。上述下五敏感栅6中心下方△ yi处的应变 横向一阶偏导和上五敏感栅2中心上方A yi处的应变横向一阶偏导数可以通过对中敏感栅 4分时复用实现几乎同时测量。
[0057] 将本实施例配合电桥可用于测量应变、应变横向一阶偏导，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
[0058]
[0059] 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
[0060] 心=1?2 = 1?3 = 1?4，（6)因为，第一，满足条件(6)，根据有关理论应变片灵敏度最高； 第二，测量应变或者应变横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
[0061]
[0062]由于 Δ Ri< <Ri( i = 1，2，3，4)故第一个》成立，第二个《当 Δ Rr Δ R2与 Δ R3- Δ R4 同号或者异号但I AR^ARsI与I AR3-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;对应变横向偏导可结合式 (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4,桥臂R2串联 布置上三敏感栅3和下五敏感栅6,其余桥臂配置等值电阻，可获得与下五敏感栅6中心下方 Ayi处应变横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. 一种可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅边叉指金属应变片， 包括基底，其特征在于:所述金属应变片还包括五个敏感栅，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五个敏感栅； 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，所述五 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； 五个敏感栅中心在轴向上无偏差，在横向上部分存在有偏差;各敏感栅按敏感栅中心 位置的顺序，沿横向从上至下，首先为上五敏感栅和上三敏感栅，然后是中敏感栅，最后是 下三敏感栅和下五敏感栅;上五敏感栅中心与上三敏感栅中心的距离为0，上五敏感栅中心 与中敏感栅中心的距离为A yi，中敏感栅中心与下五敏感栅中心的距离为Ayi，下五敏感栅 中心与下三敏感栅中心的距离为0，各敏感段轴线所确定平面上，上五敏感栅与上三敏感栅 呈叉指布置，下三敏感栅与下五敏感栅呈叉指布置； 上五敏感栅、上三敏感栅、中敏感栅、下三敏感栅和下五敏感栅的敏感段总电阻呈5:3: 8:3:5的比例关系，上五敏感栅、上三敏感栅、中敏感栅、下三敏感栅和下五敏感栅的敏感段 在相同的应变下敏感段的总电阻变化值也呈5:3:8:3:5的比例关系。2. 如权利要求1所述的可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅边叉 指金属应变片，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，所述上五敏感栅、 上三敏感栅、中敏感栅、下三敏感栅和下五敏感栅的敏感段总长度呈5: 3:8: 3: 5的比例关 系。3. 如权利要求1或2所述的可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅 边叉指金属应变片，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。4. 如权利要求1或2所述的可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅 边叉指金属应变片，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。5. 如权利要求1或2所述的可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅 边叉指金属应变片，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。6. 如权利要求1或2所述的可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅 边叉指金属应变片，其特征在于:所述五个敏感栅上、中、下布置在基底上。
【专利摘要】一种可测量双侧偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布五敏感栅边叉指金属应变片，包括基底和其上固定的五个敏感栅，各敏感栅包括敏感段和过渡段，所有敏感段轴向呈共面平行直线；该平面内沿轴线方向即轴向，与轴向垂直方向为横向；五个敏感栅中心轴向上无偏差，横向上部分存在偏差；各敏感栅按其中心位置顺序沿横向从上至下先是上五敏感栅和上三敏感栅，次为中敏感栅，末为下三敏感栅和下五敏感栅；上两、下两个敏感栅分别呈叉指布置；五个敏感栅在相同应变下总电阻变化值呈5：3：8：3：5。对中敏感栅分时复用，本发明可几乎同时测量上五敏感栅、下五敏感栅中心上、下外侧至该中心间距等于该中心到中敏感栅中心间距处的横向一阶偏导。
【IPC分类】G01B7/16
【公开号】CN105509632
【申请号】CN201510883448
【发明人】张端
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月4日