可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥三叉指金属应变片的制作方法
可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥三叉指金属应变片的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及传感器领域，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：
[0003]
(1)
[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^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
[0005]
(2)
[0006] 其中ΔΚ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，ε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。运时，电阻应变片便将力学量 转换为电阻的变化量输出。
[000引但是有时我们也需要了解工件应变的偏导数，比如下面有Ξ种场合，但不限于此 Ξ，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，截面弯矩的轴向一阶偏导数与截面剪应变成正比，也 就是可W通过表面轴向应变的轴向一阶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Ξ，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，运是一般应变片无法提供的。
[0012] 此外，对工件的某些部位，比如轴肩、零件边缘处等位置，由于形状尺寸的突变，其 应变往往相应存在比较大的变化。然而，正由于形状尺寸的突变，使得该处较难安置一般的 应变片，需要一种能测量应变片偏边缘甚至边缘外侧位置而不是正中位置应变偏导的产 品。如此便可实现在避开较难安放应变片的目标被测点一定距离处布置应变片，而最终测 量到该目标被测点处的应变偏导。
【发明内容】
[0013] 为了克服已有的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横向偏导的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分 布六敏感栅全桥Ξ叉指金属应变片，特别是测量工件角落、边缘等对应变片有尺寸限制部 位或者其他不宜布置应变片位置的横向一阶偏导。
[0014] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0015] -种可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥Ξ叉指金 属应变片，包括基底，所述金属应变片还包括六个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一引 脚，所述基底上固定所述六个敏感栅；
[0016] 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;
[0017] 每个敏感段的所有横截面形屯、构成敏感段轴线，该敏感段轴线为一条直线段，所 述六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，取该截面形屯、位置并W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屯、位置为敏感栅的中屯、；
[0018] 各敏感栅中屯、之间在轴向上无偏差，在横向上有偏差;各敏感栅按敏感栅中屯、位 置的顺序，沿横向从上至下依次为疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲 敏感栅和密乙敏感栅，疏甲敏感栅中屯、与中甲敏感栅中屯、之间距离为A yA，中甲敏感栅中 屯、与密甲敏感栅中屯、之间距离也为A yA;疏乙敏感栅中屯、与中乙敏感栅中屯、之间距离为Δ yB，中乙敏感栅中屯、与密乙敏感栅中屯、之间距离也为Δ yB，Δ yA = Δ yB;疏甲敏感栅中屯、与 疏乙敏感栅中屯、的距离为A yi，中甲敏感栅中屯、与中乙敏感栅中屯、的距离为Ayi，密甲敏感 栅中屯、与密乙敏感栅中屯、之间距离为Δ yi;
[0019] 各敏感段轴线所确定平面上，上部疏甲敏感栅与疏乙敏感栅之间呈叉指布置，中 部中甲敏感栅与中乙敏感栅之间呈叉指布置，下部密甲敏感栅和密乙敏感栅之间呈叉指布 置，无其他敏感栅之间的叉指布置；
[0020] 疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的 敏感段总电阻呈3:3:8:8:5:5的比例关系，疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感 栅、密甲敏感栅和密乙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3:3:8: 8:5:5的比例关系。
[0021] 据此，串联疏甲敏感栅和密甲敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、串联疏乙敏感栅 和密乙敏感栅正好构成测量电桥的四个桥臂。
[0022] 进一步，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w该敏感段电阻值为名义质量构成所在敏感段的名义质点，所述疏甲敏感栅、疏乙敏感 栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的敏感段总长度呈3:3:8:8:5:5的 比例关系。该方案为一种可W选择的方案，名义质点的位置只要符合其两侧电阻值相等的 横截面形屯、位置即可，也可W是其他位置。
[0023] 更进一步，在六个敏感栅之中，除了上述Ξ对敏感栅之间呈叉指布置，无其他敏感 栅之间的叉指布置。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。
[0024] 利用金属材料电阻变化值与应变之间的线性关系，本应变片正如普通应变片那样 可W用于测量应变。另一方面，依据数值微分理论中（如依冯康等编、国防工业出版社1978 年12月出版的《数值计算方法》21页（1.4.11)-(1.4.14)式作等距插值分析)关于一阶偏导 的具体计算方法，f(x，y)的y方向一阶偏导数的数值计算方法如下：
[0025]
[002引其中71 = 70+]1，72 = 71+11，特别注意上式为山72+11)位置的一阶偏导数值公式，该式 的截断误差较小为0化2)即为步长平方的高阶无穷小量。由式(2)工程上一般认为敏感栅电 阻变化量正比与敏感栅中屯、的应变，结合各敏感栅电阻W及在相同应变下之电阻变化量的 比例关系，疏甲敏感栅与 密甲敏感栅的电阻和减去中甲敏感栅的电阻值，再除W疏甲敏感 栅中屯、与密甲敏感栅中屯、的距离为应变的横向一阶数值偏导，按照数值微分理论运是密甲 敏感栅中屯、向下侧h距离处的横向一阶数值偏导，运里的h当然等于疏甲敏感栅中屯、到密甲 敏感栅中屯、之间距离的一半；同样，疏乙敏感栅与密乙敏感栅的电阻和减去中乙敏感栅的 电阻值，再除W疏乙敏感栅中屯、与密乙敏感栅中屯、的距离为应变的横向一阶数值偏导，按 照数值微分理论运是密乙敏感栅中屯、向下侧h距离处的横向一阶数值偏导，运里的h当然等 于疏乙敏感栅中屯、到密乙敏感栅中屯、之间距离的一半。上述两处位置的横向一阶偏导可同 时测量。因此该应变片的优势在于其下侧可用于测量工件角落、边缘等一般应变片由于尺 寸限制无法测量部位的两处相近位置的横向一阶偏导。
[0027] 在工艺上应注意保持疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏 感栅和密乙敏感栅过渡段总电阻W及过渡段电阻在外部应变下之变化量呈3:3:8:8:5:5的 数值关系W调高测量精度，如果过渡段的电阻W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 W消除。
[0028] 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。
[0029] 再进一步，所述敏感栅为丝式、锥式、薄膜式或厚膜式敏感栅。
[0030] 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。
[0031] 所述六个敏感栅上、中、下布置在基底上。当然，也可W为其他的布置方式。
[0032] 本发明的有益效果主要表现在:可同时检测密甲敏感栅中屯、下外侧一处和密乙敏 感栅中屯、下外侧一处的横向一阶偏导，其中密甲敏感栅中屯、下外侧处轴向上与密甲敏感栅 中屯、无偏差，横向上该处与密甲敏感栅中屯、的间距等于中甲敏感栅中屯、与密甲敏感栅中屯、 的间距;密乙敏感栅中屯、下外侧处轴向上与密乙敏感栅中屯、无偏差，横向上该处与密乙敏 感栅中屯、的间距等于中乙敏感栅中屯、与密乙敏感栅中屯、的间距。因此应变片的下侧可测量 工件角落、边缘等对应变片有尺寸限制部位的两处相近位置横向一阶偏导。
【附图说明】
[0033] 图1是可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥Ξ叉指金 属应变片的示意图。
[0034] 图2是可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥Ξ叉指金 属应变片的俯视图。
[0035] 图3是测量电桥示意图。
[0036] 图4是敏感栅之两种敏感段长度配置计算说明图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0038] 参照图1~图4,一种可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅 全桥Ξ叉指金属应变片，包括基底，所述金属应变片还包括六个敏感栅，每个敏感栅的两端 分别连接一引脚，所述基底上固定所述六个敏感栅；
[0039] 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;
[0040] 每个敏感段的所有横截面形屯、构成敏感段轴线，该敏感段轴线为一条直线段，所 述六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，取该截面形屯、位置并W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屯、位置为敏感栅的中屯、；
[0041 ]各敏感栅中屯、之间在轴向上无偏差，在横向上有偏差;各敏感栅按敏感栅中屯、位 置的顺序，沿横向从上至下依次为疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲 敏感栅和密乙敏感栅。疏甲敏感栅中屯、与中甲敏感栅中屯、之间距离为A yA，中甲敏感栅中 屯、与密甲敏感栅中屯、之间距离也为A yA;疏乙敏感栅中屯、与中乙敏感栅中屯、之间距离为Δ yB，中乙敏感栅中屯、与密乙敏感栅中屯、之间距离也为Δ yB，Δ yA = Δ yB;疏甲敏感栅中屯、与 疏乙敏感栅中屯、的距离为A yi，中甲敏感栅中屯、与中乙敏感栅中屯、的距离为Ayi，密甲敏感 栅中屯、与密乙敏感栅中屯、之间距离为Δ yi;
[0042] 各敏感段轴线所确定平面上，上部疏甲敏感栅与疏乙敏感栅之间呈叉指布置，中 部中甲敏感栅与中乙敏感栅之间呈叉指布置，下部密甲敏感栅和密乙敏感栅之间呈叉指布 置，无其他敏感栅之间的叉指布置；
[0043] 疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的 敏感段总电阻呈3:3:8:8:5:5的比例关系，疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感 栅、密甲敏感栅和密乙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3:3:8: 8:5:5的比例关系。
[0044] 据此，串联疏甲敏感栅和密甲敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、串联疏乙敏感栅 和密乙敏感栅正好构成测量电桥的四个桥臂。
[0045] 进一步，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W该敏感段电阻值为名义质量构成所在敏感段的名义质点，所述疏甲敏感栅、疏乙敏感 栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的敏感段总长度呈3:3:8:8:5:5的 比例关系。该方案为一种可W选择的方案，名义质点的位置只要符合其两侧电阻值相等的 横截面形屯、位置即可，也可W是其他位置。
[0046] 更进一步，在六个敏感栅之中，除了上述Ξ对敏感栅之间呈叉指布置，无其他敏感 栅之间的叉指布置。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。
[0047] 本实施例的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥Ξ 叉指金属应变片，包括基底1，所述金属应变片还包括六个敏感栅，每个敏感栅的两端分别 连接一根引脚，所述基底1上固定所述六个敏感栅。
[004引基底1之上可固定疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏 感栅6和密乙敏感栅7,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疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏 感栅6和密乙敏感栅7。基底1可W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。
[0049] 盖片用纸或者胶等材料制成，覆盖于疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中 乙敏感栅5、密甲敏感栅6、密乙敏感栅7和基底1上，起防潮、防蚀、防损等作用的保护层。
[0050] 引脚8用于连接敏感栅和测量电路，疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中 乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7各有两个引脚8,对与锥式和膜式应变片，引脚8与 其所连接的疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏 感栅7联为一体。疏甲敏感栅2的两个引脚为8-1 和8-2,疏乙敏感栅3的两个引脚为8-3和8-4，中甲敏感栅4的两个引脚为8-5和8-6，中乙敏感栅5的两个引脚为8-7和8-8，密甲敏感栅6 的两个引脚为8-9和8-10,密乙敏感栅7的两个引脚为8-11和8-12。
[0051 ]疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感 栅7按照其金属敏感材料和加工工艺的不同，可W为丝式、锥式、薄膜式、厚膜式。无论何种 疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7的厚 度均很小，使得疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密 乙敏感栅7的轴向长度随其所依附工件的形变而变化。本发明基本的关键之处在于疏甲敏 感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7之间的配合， 有如下要点：
[0052] 第一，在基底上布置六个敏感栅，分别称为疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感 栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7。
[0053] 第二，疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密 乙敏感栅7均可分为多个敏感段9和多个过渡段10,各过渡段10将各敏感段9连接形成敏感 栅。比较而言，敏感段9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10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9和过渡段10。
[0054] 第Ξ，每个敏感栅的敏感段9呈细长条状，每个敏感段9的所有横截面形屯、构成敏 感段轴线，该敏感段9轴线为一条直线段，各敏感段9的轴线平行并且位于同一平面中。每个 敏感段9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W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 形成的质屯、位置为敏感栅的中屯、。
[0055] 第四，疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密 乙敏感栅7的敏感段总长度呈3:3:8:8:5:5的比例关系，关于如何实现此长度比例关系见下 文结合图4说明的方法;疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感 栅6和密乙敏感栅7的敏感段总电阻呈3:3:8:8:5:5的比例关系;疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅 3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7的敏感段在相同的应变下敏感 段的总电阻变化值也呈3:3:8:8:5:5的比例关系。据此，串联疏甲敏感栅2和密甲敏感栅6、 中甲敏感栅4、串联疏乙敏感栅3和密乙敏感栅7、中乙敏感栅5正好构成测量电桥的四个桥 臂。
[0056] 第五，俯视疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6 和密乙敏感栅7,它们各具有两种长度和轴向起点不同、终点相同的敏感段，二者段数相同， 合理选择二者长度可将上述各敏感栅中屯、全部配置于y轴上，具体方法见下文结合图4的说 明。疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7的 中屯、位置均在y轴上，它们的中屯、无轴向偏差，有横向偏差。根据图2中应变片的俯视图，疏 甲敏感栅2的敏感段9有轴向对称轴XSA，疏甲敏感栅2的中屯、在y轴与XSA轴的交点，疏乙敏感 栅3的敏感段9有轴向对称轴XSB，疏乙敏感栅3的中屯、在y轴与XSB轴的交点，中甲敏感栅4的 敏感段9有轴向对称轴XMA，中甲敏感栅4的中屯、在y轴与XMA轴的交点，中乙敏感栅5的敏感段 9有轴向对称轴XMB，中乙敏感栅5的中屯、在y轴与XMB轴的交点，密甲敏感栅6的敏感段9有轴 向对称轴祉A，密甲敏感栅6的中屯、在y轴与祉A轴的交点，密乙敏感栅7的敏感段9有轴向对称 轴XDB，密乙敏感栅7的中屯、在X轴与XDB轴的交点。
[0057] 第六，疏甲敏感栅2的中屯、与中甲敏感栅4的中屯、之间距离为ΔγΑ，中甲敏感栅4的 中屯、与密甲敏感栅6的中屯、之间距离也为Δ yA;疏乙敏感栅3的中屯、与中乙敏感栅5的中屯、 之间距离为Δ yB，中乙敏感栅5的中屯、与密乙敏感栅7的中屯、之间距离也为Δ YB，A yA= A yB;疏甲敏感栅2的中屯、与疏乙敏感栅3的中屯、的距离为Δ yi，中甲敏感栅4的中屯、与中乙敏 感栅5的中屯、的距离为Ayi，密甲敏感栅6的中屯、与密乙敏感栅7的中屯、之间距离为Ayi，如 图2所示。按图2所示，各敏感段轴线所确定平面上，上部疏甲敏感栅2与疏乙敏感栅3之间呈 叉指布置，中部中甲敏感栅4与中乙敏感栅5之间呈叉指布置，下部密甲敏感栅6与密乙敏感 栅7之间呈叉指布置，无其他敏感栅之间的叉指布置。所述叉指布置是指:两敏感栅的各敏 感段9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。由于疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、 中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7的相对位置由应变片生产工艺保 证被相当精确地固定了，运也是本发明能检测工件应变横向偏导数的关键之一。
[0058] 综上所述，本发明疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏 感栅6和密乙敏感栅7的敏感段在相同的应变下敏感段的总电阻变化值也呈3:3:8:8:5:5的 比例关系，各敏感栅中屯、轴向无偏差，横向有偏差，疏甲敏感栅2的中屯、与中甲敏感栅4的中 屯、之间距离为A yA，中甲敏感栅4的中屯、与密甲敏感栅6的中屯、之间距离也为Δ YA;疏乙敏感 栅3的中屯、与中乙敏感栅5的中屯、之间距离为Δ YB，中乙敏感栅5的中屯、与密乙敏感栅7的中 屯、之间距离也为A yB，Δ yA= Δ YB;疏甲敏感栅2的中屯、与疏乙敏感栅3的中屯、的距离为Δ y 1，中甲敏感栅4的中屯、与中乙敏感栅5的中屯、的距离为Δ yi，密甲敏感栅6的中屯、与密乙敏 感栅7的中屯、之间距离为Ayi。
[0059] 令自由状态下疏乙敏感栅3电阻为Ruo,中乙敏感栅5电阻为Rmo,密乙敏感栅7电阻 为化0,应有Ruo+Rlo = Rmo = Ro。将本发明的应变片安置于某有表面应变时，疏乙敏感栅3电阻 为Ro+ Δ Ru，中敏感栅4电阻为Ro+Δ Rmo,密乙敏感栅7电阻为Ro+Δ化;另一方面，疏乙敏感栅3 W及密乙敏感栅7的中屯、分别位于图2中y轴与XSB的交点W及y轴与祉B的交点，横向上相距2 A yA。利用敏感栅电阻与表面应变的关系W及数值微分的公式有：
[0060]
[0061 ] 其中歹为密乙敏感栅7中屯、下侧ΔγΑ处，也就是图2中y轴与X0B的交点，ευ为疏乙敏 感栅3中屯、处的应变，εΜ为中乙敏感栅5中屯、处的应变，el为密乙敏感栅7中屯、处的应变。运即 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密乙敏感 栅7中屯、偏下外侧ΔγΑ位置的应变横向一阶偏导，该位置为应变片的下侧边缘甚至边缘外 侦U，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，疏甲敏感栅2、中甲敏感栅4和密甲敏感栅6可配合计算密甲敏感栅6中屯、偏下外 侧A yA位置，也就是图2中y轴与Χ0Α轴的交点，的应变横向一阶偏导数。上述密乙敏感栅7中 屯、偏下外侧A yA位置的应变横向一阶偏导和密甲敏感栅6中屯、偏下外侧Δ YA位置的应变 横 向一阶偏导数可W同时测量。
[0062] 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 ui、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 针方向分别标记为扣、1?2、1?3、1?4，在不会混淆的情况下也用运些符号标记电阻所在电桥。每 个电桥上可W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
[0063]
(句
[0064] 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RiR3-R2R4 = 0， 采用的电桥进一步满足
[00化]化=化=33 = 1?4， (5)
[0066]因为，第一，满足条件（5)时，根据有关理论应变片灵敏度最高；第二，测量应变或 者应变横向偏导的方法均要求条件(5)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
[0067]
[006引 由于ΔRi<<Ri(i = l，2,3,4)故第一个-成立，第二个-当ΔR广ΔR2与ΔR3-ΔR4 同号或者异号但I ARi-AR2|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W实现。一般可用式(6)获取的电压测量应变;对应变横向偏导可结合式 (3)和式(6)，合理地设计安排各桥臂敏感栅和电阻，例如桥臂化布置中乙敏感栅5,桥臂R2串 联布置密乙敏感栅7和疏乙敏感栅3，其余桥臂配置等值电阻，可获得与密乙敏感栅7中屯、偏 下外侧A yA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。
[0069] 结合图4,说明如何在设计图2中的各敏感栅。图2中各敏感栅配有两种长度和轴向 起点不同、终点相同的敏感段，其主要目的在于将互为叉指的两个敏感栅的中屯、都能配置 到图2中的y轴上，原理见图4。图4中有两个敏感栅A和B的局部，A有A1和A2两种敏感段，B有 B1和B2两种敏感段。各尺寸见图4,其中d为工艺决定的尺寸，认为是定值;L = 21-x为A1和A2 的总长，在设计图2中各敏感栅时，根据阻值比例和敏感段数目，可W确定其值，故图4中也 认为L已确定；图4中需要确定的量为1和X。由于A只有A1和A2两种敏感段，并且二者的段数 相同，故只要将一段A1与一段A2的共同中屯、配置到图4中的y轴上即可。结合电阻值与长度 的线性关系显然有如下方程组：
[0070]
(7)
[0071 ] 其中第一个式子左边的^指A1的中屯、偏移y轴的距离，右边的^ 则为A2的 2 2 2 中屯、偏移y轴的距离。依照对称性，从上述式子可解出的1和X同样适用于B1和B2。进而，应变 片中各敏感栅的1和X可先由前期确定的敏感栅长度、比例关系、敏感段段数等先确定L再结 合工艺长度d而由式(7)解得。
【主权项】
1. 一种可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥三叉指金属 应变片，包括基底，其特征在于:所述金属应变片还包括六个敏感栅，每个敏感栅的两端分 别连接一引脚，所述基底上固定所述六个敏感栅； 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，所述六 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； 各敏感栅中心之间在轴向上无偏差，在横向上有偏差;各敏感栅按敏感栅中心位置的 顺序，沿横向从上至下依次为疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感 栅和密乙敏感栅，疏甲敏感栅中心与中甲敏感栅中心之间距离为AyA，中甲敏感栅中心与 密甲敏感栅中心之间距离也为ΔyA;疏乙敏感栅中心与中乙敏感栅中心之间距离为ΔyB，中 乙敏感栅中心与密乙敏感栅中心之间距离也为AyB，AyA=AyB;疏甲敏感栅中心与疏乙敏 感栅中心的距离为Ayi，中甲敏感栅中心与中乙敏感栅中心的距离为Ayi，密甲敏感栅中心 与密乙敏感栅中心之间距离为Ayi; 各敏感段轴线所确定平面上，上部疏甲敏感栅与疏乙敏感栅之间呈叉指布置，中部中 甲敏感栅与中乙敏感栅之间呈叉指布置，下部密甲敏感栅和密乙敏感栅之间呈叉指布置， 无其他敏感栅之间的叉指布置； 疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的敏感 段总电阻呈3:3:8:8:5:5的比例关系，疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、 密甲敏感栅和密乙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3:3:8:8: 5:5的比例关系。2. 如权利要求1之一所述的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感 栅全桥三叉指金属应变片，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，所述疏 甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的敏感段总长 度呈3:3:8:8:5:5的比例关系。3. 如权利要求1或2所述的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感 栅全桥三叉指金属应变片，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所述的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感 栅全桥三叉指金属应变片，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所述的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感 栅全桥三叉指金属应变片，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所述的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感 栅全桥三叉指金属应变片，其特征在于:所述六个敏感栅上、中、下布置在基底上。
【专利摘要】一种可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥三叉指金属应变片，包括基底和固定其上的六个敏感栅，每一敏感栅包括敏感段和过渡段，各敏感段轴线呈共面平行直线；该平面内沿轴线方向即轴向，与轴向垂直的为横向；各敏感栅中心间轴向无偏差且横向有偏差；各敏感栅按其中心位置顺序沿横向从上至下为疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅；上部、中部和下部两个敏感栅之间分别呈叉指布置；各敏感栅在相同应变下电阻变化值呈3：3：8：8：5：5。本发明可同时检测密甲、密乙敏感栅中心下外侧至该中心间距等于该中心到中甲、中乙敏感栅中心间距处的应变横向一阶偏导。
【IPC分类】G01B7/16
【公开号】CN105486217
【申请号】CN201510884216
【发明人】张端
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月4日
【技术领域】
[0001] 本发明设及传感器领域，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：
[0003]
(1)
[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^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
[0005]
(2)
[0006] 其中ΔΚ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，ε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。运时，电阻应变片便将力学量 转换为电阻的变化量输出。
[000引但是有时我们也需要了解工件应变的偏导数，比如下面有Ξ种场合，但不限于此 Ξ，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，截面弯矩的轴向一阶偏导数与截面剪应变成正比，也 就是可W通过表面轴向应变的轴向一阶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Ξ，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，运是一般应变片无法提供的。
[0012] 此外，对工件的某些部位，比如轴肩、零件边缘处等位置，由于形状尺寸的突变，其 应变往往相应存在比较大的变化。然而，正由于形状尺寸的突变，使得该处较难安置一般的 应变片，需要一种能测量应变片偏边缘甚至边缘外侧位置而不是正中位置应变偏导的产 品。如此便可实现在避开较难安放应变片的目标被测点一定距离处布置应变片，而最终测 量到该目标被测点处的应变偏导。
【发明内容】
[0013] 为了克服已有的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横向偏导的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分 布六敏感栅全桥Ξ叉指金属应变片，特别是测量工件角落、边缘等对应变片有尺寸限制部 位或者其他不宜布置应变片位置的横向一阶偏导。
[0014] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0015] -种可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥Ξ叉指金 属应变片，包括基底，所述金属应变片还包括六个敏感栅，每个敏感栅的两端分别连接一引 脚，所述基底上固定所述六个敏感栅；
[0016] 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;
[0017] 每个敏感段的所有横截面形屯、构成敏感段轴线，该敏感段轴线为一条直线段，所 述六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，取该截面形屯、位置并W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屯、位置为敏感栅的中屯、；
[0018] 各敏感栅中屯、之间在轴向上无偏差，在横向上有偏差;各敏感栅按敏感栅中屯、位 置的顺序，沿横向从上至下依次为疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲 敏感栅和密乙敏感栅，疏甲敏感栅中屯、与中甲敏感栅中屯、之间距离为A yA，中甲敏感栅中 屯、与密甲敏感栅中屯、之间距离也为A yA;疏乙敏感栅中屯、与中乙敏感栅中屯、之间距离为Δ yB，中乙敏感栅中屯、与密乙敏感栅中屯、之间距离也为Δ yB，Δ yA = Δ yB;疏甲敏感栅中屯、与 疏乙敏感栅中屯、的距离为A yi，中甲敏感栅中屯、与中乙敏感栅中屯、的距离为Ayi，密甲敏感 栅中屯、与密乙敏感栅中屯、之间距离为Δ yi;
[0019] 各敏感段轴线所确定平面上，上部疏甲敏感栅与疏乙敏感栅之间呈叉指布置，中 部中甲敏感栅与中乙敏感栅之间呈叉指布置，下部密甲敏感栅和密乙敏感栅之间呈叉指布 置，无其他敏感栅之间的叉指布置；
[0020] 疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的 敏感段总电阻呈3:3:8:8:5:5的比例关系，疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感 栅、密甲敏感栅和密乙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3:3:8: 8:5:5的比例关系。
[0021] 据此，串联疏甲敏感栅和密甲敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、串联疏乙敏感栅 和密乙敏感栅正好构成测量电桥的四个桥臂。
[0022] 进一步，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w该敏感段电阻值为名义质量构成所在敏感段的名义质点，所述疏甲敏感栅、疏乙敏感 栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的敏感段总长度呈3:3:8:8:5:5的 比例关系。该方案为一种可W选择的方案，名义质点的位置只要符合其两侧电阻值相等的 横截面形屯、位置即可，也可W是其他位置。
[0023] 更进一步，在六个敏感栅之中，除了上述Ξ对敏感栅之间呈叉指布置，无其他敏感 栅之间的叉指布置。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。
[0024] 利用金属材料电阻变化值与应变之间的线性关系，本应变片正如普通应变片那样 可W用于测量应变。另一方面，依据数值微分理论中（如依冯康等编、国防工业出版社1978 年12月出版的《数值计算方法》21页（1.4.11)-(1.4.14)式作等距插值分析)关于一阶偏导 的具体计算方法，f(x，y)的y方向一阶偏导数的数值计算方法如下：
[0025]
[002引其中71 = 70+]1，72 = 71+11，特别注意上式为山72+11)位置的一阶偏导数值公式，该式 的截断误差较小为0化2)即为步长平方的高阶无穷小量。由式(2)工程上一般认为敏感栅电 阻变化量正比与敏感栅中屯、的应变，结合各敏感栅电阻W及在相同应变下之电阻变化量的 比例关系，疏甲敏感栅与 密甲敏感栅的电阻和减去中甲敏感栅的电阻值，再除W疏甲敏感 栅中屯、与密甲敏感栅中屯、的距离为应变的横向一阶数值偏导，按照数值微分理论运是密甲 敏感栅中屯、向下侧h距离处的横向一阶数值偏导，运里的h当然等于疏甲敏感栅中屯、到密甲 敏感栅中屯、之间距离的一半；同样，疏乙敏感栅与密乙敏感栅的电阻和减去中乙敏感栅的 电阻值，再除W疏乙敏感栅中屯、与密乙敏感栅中屯、的距离为应变的横向一阶数值偏导，按 照数值微分理论运是密乙敏感栅中屯、向下侧h距离处的横向一阶数值偏导，运里的h当然等 于疏乙敏感栅中屯、到密乙敏感栅中屯、之间距离的一半。上述两处位置的横向一阶偏导可同 时测量。因此该应变片的优势在于其下侧可用于测量工件角落、边缘等一般应变片由于尺 寸限制无法测量部位的两处相近位置的横向一阶偏导。
[0027] 在工艺上应注意保持疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏 感栅和密乙敏感栅过渡段总电阻W及过渡段电阻在外部应变下之变化量呈3:3:8:8:5:5的 数值关系W调高测量精度，如果过渡段的电阻W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 W消除。
[0028] 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。
[0029] 再进一步，所述敏感栅为丝式、锥式、薄膜式或厚膜式敏感栅。
[0030] 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。
[0031] 所述六个敏感栅上、中、下布置在基底上。当然，也可W为其他的布置方式。
[0032] 本发明的有益效果主要表现在:可同时检测密甲敏感栅中屯、下外侧一处和密乙敏 感栅中屯、下外侧一处的横向一阶偏导，其中密甲敏感栅中屯、下外侧处轴向上与密甲敏感栅 中屯、无偏差，横向上该处与密甲敏感栅中屯、的间距等于中甲敏感栅中屯、与密甲敏感栅中屯、 的间距;密乙敏感栅中屯、下外侧处轴向上与密乙敏感栅中屯、无偏差，横向上该处与密乙敏 感栅中屯、的间距等于中乙敏感栅中屯、与密乙敏感栅中屯、的间距。因此应变片的下侧可测量 工件角落、边缘等对应变片有尺寸限制部位的两处相近位置横向一阶偏导。
【附图说明】
[0033] 图1是可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥Ξ叉指金 属应变片的示意图。
[0034] 图2是可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥Ξ叉指金 属应变片的俯视图。
[0035] 图3是测量电桥示意图。
[0036] 图4是敏感栅之两种敏感段长度配置计算说明图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0038] 参照图1~图4,一种可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅 全桥Ξ叉指金属应变片，包括基底，所述金属应变片还包括六个敏感栅，每个敏感栅的两端 分别连接一引脚，所述基底上固定所述六个敏感栅；
[0039] 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;
[0040] 每个敏感段的所有横截面形屯、构成敏感段轴线，该敏感段轴线为一条直线段，所 述六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，取该截面形屯、位置并W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屯、位置为敏感栅的中屯、；
[0041 ]各敏感栅中屯、之间在轴向上无偏差，在横向上有偏差;各敏感栅按敏感栅中屯、位 置的顺序，沿横向从上至下依次为疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲 敏感栅和密乙敏感栅。疏甲敏感栅中屯、与中甲敏感栅中屯、之间距离为A yA，中甲敏感栅中 屯、与密甲敏感栅中屯、之间距离也为A yA;疏乙敏感栅中屯、与中乙敏感栅中屯、之间距离为Δ yB，中乙敏感栅中屯、与密乙敏感栅中屯、之间距离也为Δ yB，Δ yA = Δ yB;疏甲敏感栅中屯、与 疏乙敏感栅中屯、的距离为A yi，中甲敏感栅中屯、与中乙敏感栅中屯、的距离为Ayi，密甲敏感 栅中屯、与密乙敏感栅中屯、之间距离为Δ yi;
[0042] 各敏感段轴线所确定平面上，上部疏甲敏感栅与疏乙敏感栅之间呈叉指布置，中 部中甲敏感栅与中乙敏感栅之间呈叉指布置，下部密甲敏感栅和密乙敏感栅之间呈叉指布 置，无其他敏感栅之间的叉指布置；
[0043] 疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的 敏感段总电阻呈3:3:8:8:5:5的比例关系，疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感 栅、密甲敏感栅和密乙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3:3:8: 8:5:5的比例关系。
[0044] 据此，串联疏甲敏感栅和密甲敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、串联疏乙敏感栅 和密乙敏感栅正好构成测量电桥的四个桥臂。
[0045] 进一步，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W该敏感段电阻值为名义质量构成所在敏感段的名义质点，所述疏甲敏感栅、疏乙敏感 栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的敏感段总长度呈3:3:8:8:5:5的 比例关系。该方案为一种可W选择的方案，名义质点的位置只要符合其两侧电阻值相等的 横截面形屯、位置即可，也可W是其他位置。
[0046] 更进一步，在六个敏感栅之中，除了上述Ξ对敏感栅之间呈叉指布置，无其他敏感 栅之间的叉指布置。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。
[0047] 本实施例的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥Ξ 叉指金属应变片，包括基底1，所述金属应变片还包括六个敏感栅，每个敏感栅的两端分别 连接一根引脚，所述基底1上固定所述六个敏感栅。
[004引基底1之上可固定疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏 感栅6和密乙敏感栅7,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疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏 感栅6和密乙敏感栅7。基底1可W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。
[0049] 盖片用纸或者胶等材料制成，覆盖于疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中 乙敏感栅5、密甲敏感栅6、密乙敏感栅7和基底1上，起防潮、防蚀、防损等作用的保护层。
[0050] 引脚8用于连接敏感栅和测量电路，疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中 乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7各有两个引脚8,对与锥式和膜式应变片，引脚8与 其所连接的疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏 感栅7联为一体。疏甲敏感栅2的两个引脚为8-1 和8-2,疏乙敏感栅3的两个引脚为8-3和8-4，中甲敏感栅4的两个引脚为8-5和8-6，中乙敏感栅5的两个引脚为8-7和8-8，密甲敏感栅6 的两个引脚为8-9和8-10,密乙敏感栅7的两个引脚为8-11和8-12。
[0051 ]疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感 栅7按照其金属敏感材料和加工工艺的不同，可W为丝式、锥式、薄膜式、厚膜式。无论何种 疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7的厚 度均很小，使得疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密 乙敏感栅7的轴向长度随其所依附工件的形变而变化。本发明基本的关键之处在于疏甲敏 感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7之间的配合， 有如下要点：
[0052] 第一，在基底上布置六个敏感栅，分别称为疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感 栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7。
[0053] 第二，疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密 乙敏感栅7均可分为多个敏感段9和多个过渡段10,各过渡段10将各敏感段9连接形成敏感 栅。比较而言，敏感段9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10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9和过渡段10。
[0054] 第Ξ，每个敏感栅的敏感段9呈细长条状，每个敏感段9的所有横截面形屯、构成敏 感段轴线，该敏感段9轴线为一条直线段，各敏感段9的轴线平行并且位于同一平面中。每个 敏感段9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W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 形成的质屯、位置为敏感栅的中屯、。
[0055] 第四，疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密 乙敏感栅7的敏感段总长度呈3:3:8:8:5:5的比例关系，关于如何实现此长度比例关系见下 文结合图4说明的方法;疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感 栅6和密乙敏感栅7的敏感段总电阻呈3:3:8:8:5:5的比例关系;疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅 3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7的敏感段在相同的应变下敏感 段的总电阻变化值也呈3:3:8:8:5:5的比例关系。据此，串联疏甲敏感栅2和密甲敏感栅6、 中甲敏感栅4、串联疏乙敏感栅3和密乙敏感栅7、中乙敏感栅5正好构成测量电桥的四个桥 臂。
[0056] 第五，俯视疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6 和密乙敏感栅7,它们各具有两种长度和轴向起点不同、终点相同的敏感段，二者段数相同， 合理选择二者长度可将上述各敏感栅中屯、全部配置于y轴上，具体方法见下文结合图4的说 明。疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7的 中屯、位置均在y轴上，它们的中屯、无轴向偏差，有横向偏差。根据图2中应变片的俯视图，疏 甲敏感栅2的敏感段9有轴向对称轴XSA，疏甲敏感栅2的中屯、在y轴与XSA轴的交点，疏乙敏感 栅3的敏感段9有轴向对称轴XSB，疏乙敏感栅3的中屯、在y轴与XSB轴的交点，中甲敏感栅4的 敏感段9有轴向对称轴XMA，中甲敏感栅4的中屯、在y轴与XMA轴的交点，中乙敏感栅5的敏感段 9有轴向对称轴XMB，中乙敏感栅5的中屯、在y轴与XMB轴的交点，密甲敏感栅6的敏感段9有轴 向对称轴祉A，密甲敏感栅6的中屯、在y轴与祉A轴的交点，密乙敏感栅7的敏感段9有轴向对称 轴XDB，密乙敏感栅7的中屯、在X轴与XDB轴的交点。
[0057] 第六，疏甲敏感栅2的中屯、与中甲敏感栅4的中屯、之间距离为ΔγΑ，中甲敏感栅4的 中屯、与密甲敏感栅6的中屯、之间距离也为Δ yA;疏乙敏感栅3的中屯、与中乙敏感栅5的中屯、 之间距离为Δ yB，中乙敏感栅5的中屯、与密乙敏感栅7的中屯、之间距离也为Δ YB，A yA= A yB;疏甲敏感栅2的中屯、与疏乙敏感栅3的中屯、的距离为Δ yi，中甲敏感栅4的中屯、与中乙敏 感栅5的中屯、的距离为Ayi，密甲敏感栅6的中屯、与密乙敏感栅7的中屯、之间距离为Ayi，如 图2所示。按图2所示，各敏感段轴线所确定平面上，上部疏甲敏感栅2与疏乙敏感栅3之间呈 叉指布置，中部中甲敏感栅4与中乙敏感栅5之间呈叉指布置，下部密甲敏感栅6与密乙敏感 栅7之间呈叉指布置，无其他敏感栅之间的叉指布置。所述叉指布置是指:两敏感栅的各敏 感段9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。由于疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、 中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏感栅6和密乙敏感栅7的相对位置由应变片生产工艺保 证被相当精确地固定了，运也是本发明能检测工件应变横向偏导数的关键之一。
[0058] 综上所述，本发明疏甲敏感栅2、疏乙敏感栅3、中甲敏感栅4、中乙敏感栅5、密甲敏 感栅6和密乙敏感栅7的敏感段在相同的应变下敏感段的总电阻变化值也呈3:3:8:8:5:5的 比例关系，各敏感栅中屯、轴向无偏差，横向有偏差，疏甲敏感栅2的中屯、与中甲敏感栅4的中 屯、之间距离为A yA，中甲敏感栅4的中屯、与密甲敏感栅6的中屯、之间距离也为Δ YA;疏乙敏感 栅3的中屯、与中乙敏感栅5的中屯、之间距离为Δ YB，中乙敏感栅5的中屯、与密乙敏感栅7的中 屯、之间距离也为A yB，Δ yA= Δ YB;疏甲敏感栅2的中屯、与疏乙敏感栅3的中屯、的距离为Δ y 1，中甲敏感栅4的中屯、与中乙敏感栅5的中屯、的距离为Δ yi，密甲敏感栅6的中屯、与密乙敏 感栅7的中屯、之间距离为Ayi。
[0059] 令自由状态下疏乙敏感栅3电阻为Ruo,中乙敏感栅5电阻为Rmo,密乙敏感栅7电阻 为化0,应有Ruo+Rlo = Rmo = Ro。将本发明的应变片安置于某有表面应变时，疏乙敏感栅3电阻 为Ro+ Δ Ru，中敏感栅4电阻为Ro+Δ Rmo,密乙敏感栅7电阻为Ro+Δ化;另一方面，疏乙敏感栅3 W及密乙敏感栅7的中屯、分别位于图2中y轴与XSB的交点W及y轴与祉B的交点，横向上相距2 A yA。利用敏感栅电阻与表面应变的关系W及数值微分的公式有：
[0060]
[0061 ] 其中歹为密乙敏感栅7中屯、下侧ΔγΑ处，也就是图2中y轴与X0B的交点，ευ为疏乙敏 感栅3中屯、处的应变，εΜ为中乙敏感栅5中屯、处的应变，el为密乙敏感栅7中屯、处的应变。运即 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密乙敏感 栅7中屯、偏下外侧ΔγΑ位置的应变横向一阶偏导，该位置为应变片的下侧边缘甚至边缘外 侦U，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，疏甲敏感栅2、中甲敏感栅4和密甲敏感栅6可配合计算密甲敏感栅6中屯、偏下外 侧A yA位置，也就是图2中y轴与Χ0Α轴的交点，的应变横向一阶偏导数。上述密乙敏感栅7中 屯、偏下外侧A yA位置的应变横向一阶偏导和密甲敏感栅6中屯、偏下外侧Δ YA位置的应变 横 向一阶偏导数可W同时测量。
[0062] 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 ui、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 针方向分别标记为扣、1?2、1?3、1?4，在不会混淆的情况下也用运些符号标记电阻所在电桥。每 个电桥上可W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
[0063]
(句
[0064] 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RiR3-R2R4 = 0， 采用的电桥进一步满足
[00化]化=化=33 = 1?4， (5)
[0066]因为，第一，满足条件（5)时，根据有关理论应变片灵敏度最高；第二，测量应变或 者应变横向偏导的方法均要求条件(5)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
[0067]
[006引 由于ΔRi<<Ri(i = l，2,3,4)故第一个-成立，第二个-当ΔR广ΔR2与ΔR3-ΔR4 同号或者异号但I ARi-AR2|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W实现。一般可用式(6)获取的电压测量应变;对应变横向偏导可结合式 (3)和式(6)，合理地设计安排各桥臂敏感栅和电阻，例如桥臂化布置中乙敏感栅5,桥臂R2串 联布置密乙敏感栅7和疏乙敏感栅3，其余桥臂配置等值电阻，可获得与密乙敏感栅7中屯、偏 下外侧A yA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。
[0069] 结合图4,说明如何在设计图2中的各敏感栅。图2中各敏感栅配有两种长度和轴向 起点不同、终点相同的敏感段，其主要目的在于将互为叉指的两个敏感栅的中屯、都能配置 到图2中的y轴上，原理见图4。图4中有两个敏感栅A和B的局部，A有A1和A2两种敏感段，B有 B1和B2两种敏感段。各尺寸见图4,其中d为工艺决定的尺寸，认为是定值;L = 21-x为A1和A2 的总长，在设计图2中各敏感栅时，根据阻值比例和敏感段数目，可W确定其值，故图4中也 认为L已确定；图4中需要确定的量为1和X。由于A只有A1和A2两种敏感段，并且二者的段数 相同，故只要将一段A1与一段A2的共同中屯、配置到图4中的y轴上即可。结合电阻值与长度 的线性关系显然有如下方程组：
[0070]
(7)
[0071 ] 其中第一个式子左边的^指A1的中屯、偏移y轴的距离，右边的^ 则为A2的 2 2 2 中屯、偏移y轴的距离。依照对称性，从上述式子可解出的1和X同样适用于B1和B2。进而，应变 片中各敏感栅的1和X可先由前期确定的敏感栅长度、比例关系、敏感段段数等先确定L再结 合工艺长度d而由式(7)解得。
【主权项】
1. 一种可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥三叉指金属 应变片，包括基底，其特征在于:所述金属应变片还包括六个敏感栅，每个敏感栅的两端分 别连接一引脚，所述基底上固定所述六个敏感栅； 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，所述六 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； 各敏感栅中心之间在轴向上无偏差，在横向上有偏差;各敏感栅按敏感栅中心位置的 顺序，沿横向从上至下依次为疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感 栅和密乙敏感栅，疏甲敏感栅中心与中甲敏感栅中心之间距离为AyA，中甲敏感栅中心与 密甲敏感栅中心之间距离也为ΔyA;疏乙敏感栅中心与中乙敏感栅中心之间距离为ΔyB，中 乙敏感栅中心与密乙敏感栅中心之间距离也为AyB，AyA=AyB;疏甲敏感栅中心与疏乙敏 感栅中心的距离为Ayi，中甲敏感栅中心与中乙敏感栅中心的距离为Ayi，密甲敏感栅中心 与密乙敏感栅中心之间距离为Ayi; 各敏感段轴线所确定平面上，上部疏甲敏感栅与疏乙敏感栅之间呈叉指布置，中部中 甲敏感栅与中乙敏感栅之间呈叉指布置，下部密甲敏感栅和密乙敏感栅之间呈叉指布置， 无其他敏感栅之间的叉指布置； 疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的敏感 段总电阻呈3:3:8:8:5:5的比例关系，疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、 密甲敏感栅和密乙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3:3:8:8: 5:5的比例关系。2. 如权利要求1之一所述的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感 栅全桥三叉指金属应变片，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，所述疏 甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅的敏感段总长 度呈3:3:8:8:5:5的比例关系。3. 如权利要求1或2所述的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感 栅全桥三叉指金属应变片，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所述的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感 栅全桥三叉指金属应变片，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所述的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感 栅全桥三叉指金属应变片，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所述的可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感 栅全桥三叉指金属应变片，其特征在于:所述六个敏感栅上、中、下布置在基底上。
【专利摘要】一种可测量单侧双偏置敏感栅外侧横向偏导的横向分布六敏感栅全桥三叉指金属应变片，包括基底和固定其上的六个敏感栅，每一敏感栅包括敏感段和过渡段，各敏感段轴线呈共面平行直线；该平面内沿轴线方向即轴向，与轴向垂直的为横向；各敏感栅中心间轴向无偏差且横向有偏差；各敏感栅按其中心位置顺序沿横向从上至下为疏甲敏感栅、疏乙敏感栅、中甲敏感栅、中乙敏感栅、密甲敏感栅和密乙敏感栅；上部、中部和下部两个敏感栅之间分别呈叉指布置；各敏感栅在相同应变下电阻变化值呈3：3：8：8：5：5。本发明可同时检测密甲、密乙敏感栅中心下外侧至该中心间距等于该中心到中甲、中乙敏感栅中心间距处的应变横向一阶偏导。
【IPC分类】G01B7/16
【公开号】CN105486217
【申请号】CN201510884216
【发明人】张端
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月4日
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