可測量單側(cè)雙偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導的軸向分布五敏感柵邊叉指金屬應變的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器領域，尤其是一種金屬應變片。
【背景技術】
[0002] 金屬電阻應變片的工作原理是電阻應變效應，即金屬絲在受到應變作用時，其電 阻隨著所發(fā)生機械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應的變化。電阻應變效應的理論公 式如下：
[0003]
[0004] 其中R是其電阻值，P是金屬材料電阻率，L是金屬材料長度，S為金屬材料截面 積。金屬絲在承受應變而發(fā)生機械變形的過程中，P、L、S三者都要發(fā)生變化，從而必然會 引起金屬材料電阻值的變化。當金屬材料被拉伸時，長度增加，截面積減小，電阻值增加；當 受壓縮時，長度減小，截面積增大，電阻值減小。因此，只要能測出電阻值的變化，便可知金 屬絲的應變情況。由式（1)和材料力學等相關知識可導出金屬材料電阻變化率公式
[0005]
[0006] 其中AR為電阻變動量，AL為金屬材料在拉力或者壓力作用方向上長度的變化 量，ε為同一方向上的應變常常稱為軸向應變，K為金屬材料應變靈敏度系數(shù)。
[0007] 在實際應用中，將金屬電阻應變片粘貼在傳感器彈性元件或被測機械零件的表 面。當傳感器中的彈性元件或被測機械零件受作用力產(chǎn)生應變時，粘貼在其上的應變片也 隨之發(fā)生相同的機械變形，引起應變片電阻發(fā)生相應的變化。這時，電阻應變片便將力學量 轉(zhuǎn)換為電阻的變化量輸出。
[0008] 但是有時我們也需要了解工件應變的偏導數(shù)，比如下面有三種場合，但不限于此 三，需要用到工件表面應變偏導數(shù)：
[0009] 第一，由于工件形狀突變處附近會出現(xiàn)應變集中，往往成為工件首先出現(xiàn)損壞之 處，監(jiān)測形狀突變處附近的應變偏導數(shù)，可直觀的獲取該處應變集中程度。
[0010] 第二，建筑、橋梁、機械設備中受彎件大量存在，材料力學有關知識告訴我們，彎曲 梁表面軸向應變與截面彎矩成正比，截面彎矩的軸向偏導數(shù)與截面剪應變成正比，也就是 可以通過表面軸向應變的軸向偏導數(shù)獲知截面剪應變，而該剪應變無法用應變片在工件表 面直接測量到；
[0011] 第三，應用彈性力學研究工件應變時，內(nèi)部應變決定于偏微分方程，方程求解需要 邊界條件，而工件表面應變偏導數(shù)就是邊界條件之一，這是一般應變片無法提供的。
[0012] 此外，對工件的某些部位，比如軸肩、零件邊緣處等位置，由于形狀尺寸的突變，其 應變往往相應存在比較大的變化。然而，正由于形狀尺寸的突變，使得該處較難安置一般 的應變片，需要一種能測量應變片偏邊緣甚至邊緣外側(cè)位置而不是正中位置應變偏導的產(chǎn) 品。如此便可實現(xiàn)在避開較難安放應變片的目標被測點一定距離處布置應變片，而最終測 量到該目標被測點處的應變偏導。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為了克服已有的金屬應變片無法檢測應變偏導的不足，本發(fā)明提供一種既能測量 應變更能有效檢測表面應變軸向偏導的可測量單側(cè)雙偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導的軸向分 布五敏感柵邊叉指金屬應變，特別是測量工件角落、邊緣等對應變片有尺寸限制部位或者 其他不宜布置應變片位置的軸向一階偏導。
[0014] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0015] -種可測量單側(cè)雙偏置敏感柵外側(cè)軸向偏導的軸向分布五敏感柵邊叉指金屬應 變，包括基底，所述金屬應變片還包括五個敏感柵，每個敏感柵的兩端分別連接一根引腳， 所述基底上固定所述五個敏感柵；
[0016] 每一敏感柵包括敏感段和過渡段，所述敏感段的兩端為過渡段，所述敏感段呈細 長條形，所述過渡段呈粗短形，所述敏感段的電阻遠大于所述過渡段的電阻，相同應變狀態(tài) 下所述敏感段的電阻變化值遠大于所述過渡段的電阻變化值，所述過渡段的電阻變化值接 近于〇;
[0017] 每個敏感段的所有橫截面形心構成敏感段軸線，該敏感段軸線為一條直線段，所 述五個敏感柵中各敏感段的軸線平行并且位于同一平面中，敏感段軸線所確定平面內(nèi)，沿 所述敏感段軸線方向即軸向，與軸向垂直的方向為橫向；每個敏感段上存在其兩側(cè)電阻值 相等的一個橫截面，取該截面形心位置并以該敏感段電阻值為名義質(zhì)量構成所在敏感段的 名義質(zhì)點，各個敏感段的名義質(zhì)點共同形成的質(zhì)心位置為敏感柵的中心；
[0018] 各敏感柵中心之間在橫向上無偏差，在軸向上有偏差；各敏感柵按敏感柵中心位 置的順序，沿軸向從左至右依次為疏甲敏感柵、疏乙敏感柵、中敏感柵、密乙敏感柵和密甲 敏感柵。疏甲敏感柵中心與中敏感柵中心之間距離為Δχα，中敏感柵中心與密甲敏感柵中 心之間距離也為八&;疏乙敏感柵中心與中敏感柵中心之間距離為ΔχΒ，中敏感柵中心與 密乙敏感柵中心之間距離也為ΔχΒ，ΔχΑ>ΔχΒ;疏甲敏感柵中心與疏乙敏感柵中心的距 離為ΔΧι，密甲敏感柵中心與密乙敏感柵中心之間距離為Δχ1;ΔΧι=ΔχΑ-ΔχΒ;
[0019] 各敏感段軸線所確定平面上，左邊疏甲敏感柵與疏乙敏感柵之間呈叉指布置，右 邊密甲敏感柵和密乙敏感柵之間呈叉指布置；
[0020] 疏甲敏感柵、疏乙敏感柵、中敏感柵、密乙敏感柵和密甲敏感柵的敏感段總電阻呈 3 :3 :8 :5 :5的比例關系，疏甲敏感柵、疏乙敏感柵、中敏感柵、密乙敏感柵和密甲敏感柵的 敏感段在相同的應變下敏感段的總電阻變化值也呈3 :3 :8 :5 :5的比例關系。
[0021] 進一步，每個敏感段的所有橫截面形狀尺寸一致，取每個敏感段的軸線中點位置 并以該敏感段電阻值為名義質(zhì)量構成所在敏感段的名義質(zhì)點，所述疏甲敏感柵、疏乙敏感 柵、中敏感柵、密乙敏感柵和密甲敏感柵的敏感段總長度呈3 :3 :8 :5 :5的比例關系。該方 案為一種可以選擇的方案，名義質(zhì)點的位置只要符合其兩側(cè)電阻值相等的橫截面形心位置 即可，也可以是其他位置。
[0022] 更進一步，所述密甲敏感柵和密乙敏感柵的引腳均位于應變片內(nèi)側(cè)。目的是減小 密甲敏感柵和密乙敏感柵到應變片右側(cè)邊緣的距離。
[0023] 再進一步，相對中敏感柵，密甲敏感柵和密乙敏感柵的敏感段軸向長度可較短而 橫向分布可較密。目的是減小密甲敏感柵和密乙敏感柵中心到應變片右側(cè)邊緣的距離。
[0024] 在五個敏感柵之中，除了上述兩對敏感柵之間呈叉指布置，無其他敏感柵之間的 叉指布置。所述叉指布置是指：兩敏感柵的各敏感段軸線所在平面上，在與敏感段軸線垂直 方向上兩敏感柵的敏感段錯落分布，對在該方向上兩敏感柵之敏感段分別出現(xiàn)的次序和次 數(shù)不做限制。
[0025] 利用金屬材料電阻變化值與應變之間的線性關系，本應變片正如普通應變片那樣 可以用于測量應變。另一方面，依據(jù)數(shù)值微分理論中（如依馮康等編、國防工業(yè)出版社1978 年12月出版的《數(shù)值計算方法》21頁（1. 4. 11)-(1. 4. 14)式作等距插值分析）關于一階偏 導的具體計算方法，f(x，y)的X方向一階偏導數(shù)的數(shù)值計算方法如下：
[0026] (Χ2+//,ν)
[0027] 其中Xi=xQ+h